光纤微弯传感器

光纤微弯传感器第1页，共13页，2023年，2月20日，星期日

任务目标

掌握光纤微弯传感器原理掌握光纤微弯传感器系统结构组成掌握光纤微弯传感器探头的设计与制作了解光纤微弯传感器的相关应用第2页，共13页，2023年，2月20日，星期日一、光纤微弯传感器的简单介绍当光纤状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗，光纤的微弯损耗远远大于光纤的宏弯损耗，光纤既传光又传感，可划分为传感型光纤传感器。微弯式光纤传感器是根据光纤微弯变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。微弯式传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对光纤芯中光强度的变化来实现信号能量的转换；而后者则检测包层中的光信号。光纤微弯传感器通过外界因素导致光纤发生微弯变化，进而导致光纤传输光强变化来反映或者测量待测量变化，属于非功能型光纤传感器。第3页，共13页，2023年，2月20日，星期日二、光纤微弯传感器的基本原理分析弯曲损耗的机理现代光纤最重要的优点之一就是它的易弯曲性，如果光纤弯曲的曲率半径太小，将引起光的传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至有可能穿过包层向外渗漏。在正常情况下，光在光纤里沿轴向传播的常数β应满足：n2k0＜β＜n1k0。当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大。当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意味着传导模要变成辐射模，所以，光束功率的一部分会损耗掉，这也就意味着衰减将会增加。光纤成缆、现场敷设、光缆接头等场合都会引起光纤的弯曲损耗。第4页，共13页，2023年，2月20日，星期日微弯损耗的机理

所谓微弯损耗就是光纤受到不均匀应力的作用，例如受到侧压力或者套塑光纤受到温度变化时，光纤轴产生微小不规则弯曲，其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。微弯是一些随机的、曲率半径可以与光纤的横截面尺寸相比拟的畸变。纤芯包层接口在几何上的不完善可能会造成在相应区域上微观的凸起或凹陷。尽管光是在光纤的直分段中传输，光束碰到这些不完善的地方会改变其方向。光束最初以临界传播角传输，经过在这些不完善点处的反射以后，传播角会发生变化，结果就是不再满足全内反射条件，部分光被折射掉，即泄露出纤芯，这就是微弯损耗的机制。单模光纤中的微弯损耗是依赖于波长的，即单模光纤对微弯损耗的敏感性随着波长的增加会有少量的增长，产生这种变化的物理原因是因为较长的波长会使MFD增加，从而使更多的功率辐射到纤芯外。第5页，共13页，2023年，2月20日，星期日微弯效应

光纤的弯曲将会引起光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合，从面使一部分导模泄漏到包层中去，通过检测光纤中的传导光功率或包层中辐射模功率的变化，就能测出位移或压力大小。引起微弯板变化的物理量有温度、压力、位移等。第6页，共13页，2023年，2月20日，星期日光模式强度调制原理

当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。在光纤微弯传感器中，微弯处一般弯曲成正弦状，设微弯部分的空间周期为Λ，振幅为A，如下图所示微弯板微弯板光纤光纤周期Λ振幅4A光模式强度调制原理第7页，共13页，2023年，2月20日，星期日两个模的传播常数分别为β和β′，当Δβ=│β-β′│=2π/λ相位失配为零，模间精合达到最佳。当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，第8页，共13页，2023年，2月20日，星期日变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。对于抛物线(或平方律或梯度)折射率分布的光纤．变形器的临界空间周期为对于阶跃光纤第9页，共13页，2023年，2月20日，星期日三、光纤传感器的应用光纤微弯压力传感器微弯光纤水声传感器微弯光纤位移传感器基于OTDR用于工程监测的光纤微弯应变传感器在复合材料成型表征中的应用光纤微弯型悬梁传感器用于编织复合材料应变检测第10页，共13页，2023年，2月20日，星期日弯曲损耗的利用（1）模式过滤器：过滤就是对高级模式的去除，只要弯曲一下，光纤就可以作为模式过滤器。（2）衰减器：衰减器是在控制状态下减少传输功率的装置。有一类衰减器只要将用于传输的光纤转几圈就可以了，根本不需要引入外部器件，使用这种衰减器，可以通过控制光纤以给定的半径所转的圈数来控制衰减量。（3）熔接机：使用弯曲损耗来控制熔接质量。熔接是通过将光纤的端面熔化后将两根光纤连接在一起的过程，这个过程与金属焊接过程类似。（4）光纤识别仪：光纤识别仪是一种利用光纤弯曲效果的仪器。当将一根光纤弯曲时,有些光会从光纤中辐射出来，这些光就会被光纤识别仪检测到，在不切断光纤、不中断通信的条件下，技术人员根据这些光可以将多芯光纤或单根光纤从其他光纤中识别出来，并检测光的状态及方向。大多数的光纤识别仪用于波长为1310nm或1550nm的单模光纤光缆。第11页，共13页，2023年，2月20日，星期日光纤微弯损耗效应在检测与自控技术中的几种应用

（1）光纤微弯及多圈螺旋式传感器光纤微弯可有多种弯曲变形形式,当被测物受到外界影响时，光纤发生弯曲变形，通过检测光纤内传输的光功率变化量而定出被测量。为了提高灵敏度，将微弯曲传感光纤做成多圈螺旋管状。（2）齿条式传感器这种传感器结构的形式，可适当选择齿条式传感器的齿间周期δ，使之与光纤导波模间的传播系数相当，满足条件δ=2πΔβ。当外界因素使变形器产生位移时，嵌入其中的光纤因弯曲引起各相邻模式间的有效耦合，导波模不断转换成包层模，发生