文档介绍：一种新颖的差动式光纤微弯传感器
(理学院,物理系,应用物理学专业张杰锋)
(学号:2000145009)
内容提要:本文分别从光线理论和模式理论对光纤微弯损耗进行分析,并且设计了一种
差动式光纤微弯传感器。被测对象铝片和不锈钢等试件的表面应力应变带动光纤微弯传感器
中两对齿在光纤横向上的微小位移,使光纤产生损耗。根据光纤中光信号的损耗,从而实现
对被测对象的应力、应变测量。该传感器的最大优点是安装简单,不仅可以测量应力、应变
或位移的大小,还可以判断方向,具有灵敏度高的特点。在本设计中,还对不同光纤,不同
齿结构对光纤微弯传感器的特性的影响进行研究。
利用 OTDR 构成分布式光纤微弯传感器多点测量系统,分别对多个测量点进行测试。
关键词:光纤微弯传感器,分布式,应力,应变,位移,损耗
教师点评:本文既具有较为深入的理论分析,同时对差动式光纤微弯传感器进行了较为
系统的实验研究,取得了较好的实验结果。(点评教师:李学金,副教授)
引言
光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而形成的一种崭新的传感技术。
在光纤通信得到长足发展后,光纤用作远距离传输光波信号的媒体。人们很快就发现通
信质量易受干扰的一个重要原因是光纤对外界环境因素很敏感,如温度、压力、电场、磁场
等环境条件的变化将引起光波参量,如光强、相位、频率、偏振态等的变化。正是这种现象,
启发了人们利用它来做光纤传感器的念头。事实证明,光纤传感器以其及其强大的生命力在
快速地成长着:在航天,光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤陀螺有广泛的应用;在航
海,光纤声纳传感器显神通;在石油化工,测量液面、流量、二相流中空隙度,光纤传感器
以其优异的性能而受宠;另外,在电力工业、核工业、医疗器械、科学研究等技术领域都取
得了可喜的研究成果和应用。
光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制,并对被调制过的
光波信号进行解调检测,从而获得待测量值的一种装置。按照光纤在传感器中所起的作用,
光纤传感器一般可以分为两大类:功能型和非功能型。前者又叫传感型光纤传感器,它是利
用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件,既感知信息又传输信息。在这种传感器中传感
机制有两种情况:一种是光纤与被测对象相互作用时,光纤自身的结构参量发生变化,光纤
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的传光特性发生相关变化,光纤中的光波参量受到相应控制;另一种是光纤与被测对象作用
时,光纤自身的结构参量不发生变化,但是光纤中传输的光波自身发生了某种变化,这种变
化携带了待测信息。后者也叫传光型传感器,它的传感器机制同样有两种情况:其一是光转
换元件与待测对象相互作用,光转换元件自身的性能发生了变化,由光纤传送过来的光波通
过它时,空载波被调制成调制波,从而携带了待测量信息;其二是不采用任何光转换元件,
仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能,它的结构很简单[1] 。属于功能型光纤传感器的一
种――光纤微弯传感器是利用光纤中的微弯损耗来探测外界物理量的变化。光纤微弯传感器
由于在技术上比较简单,光纤和元器件易于获得、可靠性高、价格便宜,因而被广泛用于位
移、压力、应变、应力、振动等的传感测量。
本文从光纤的光线理论、光纤的损耗机理来说明光纤微弯传感器的基本工作原理,简述
了光纤微弯传感器的基本应用。基于这些理论,我们设计了一种差动式光纤微弯传感器,并
进行实验研究,实验中采用不同齿结构,不同芯径的单模多模光纤,分别对传感器的特性进
行测试。同时利用 OTDR 构成了分布式应力、应变测试系统,实验得到了令人满意的结果。
随着对其机械加工的改进,金属体的材料选择,相信它的灵敏度会更加高,使用更加方
便。
第一章光纤微弯理论
1. 1 光纤的光线理论
光纤的概述
光纤是光导纤维的简称,通常是圆柱形的。以光的形式出现的电磁波能量在全反射的
原理的约束下,沿着光纤轴线的方向传播。光纤的传输特性由其结构和材料决定。
光纤的基本结构是两层圆柱状媒质,内层为纤芯,外层为包层;纤芯的折射率比包层
的折射率稍大。实际的光纤在包层外还有一层保护层,其用途是保护光纤免受环境污染和机
械损伤。图 1 是单根光纤结构图。
图 1 单根光纤结构简图
光纤按照传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤。它们的主要差别是纤芯的尺寸
和纤芯-包层的折射率差值。多模光纤的芯径大(50-500 µm ),纤芯-包层折射率差大
∆= −= µ
( (n1 n2 ) / n1 ~ );单模光纤的芯径小(2-12 m ),纤芯-包层折射率差
小( ∆=