微弯型光纤传感器

微弯型光纤传感器原理及应用第一章光纤传感器1.1光纤传感器的原理光纤传感系统一般由光源、引导光纤、光纤传感器、光电探测器及信号处理部分组成。由于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。所以利用光纤的这一特性，研究出了利用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。光纤传感器就是依据某些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。1.2光纤传感器的分类按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器可以分为功能型和非功能型两大类。在功能型光纤传感器中，光纤本身作为敏感元件，当光纤与被测对象相互作用时，光纤中的光波参量受到相应的调制；而在非功能型光纤传感器中，光纤只是作为光的传输介质，本身不作为敏感材料使用。1.3光纤传感器的优点与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：1、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、安全。由于光纤传感器采用的是光信号作为传输介质，本身不受电磁信号的影响，同时光纤耐腐蚀，所以可以方便有效的用于各种恶劣环境中。2、灵敏度高。光的波长都在几百至一千多纳米，相对于宏观位移很小，所以光纤传感器能够达到很高的精度，可以应用于测量微小位移、加速度、磁场、气体浓度等很多场合。3、体积小、重量轻。光纤不采用金属材料，所以重量轻，同时体积小，便于在空间狭窄的条件下使用。4、测量对象广泛。可以对物理量、化学量进行检测。5、便于复用，容易实现分布式测量。光纤无需供电，传输距离远，容易布设的优点，使得组成光纤传感网络。6、成本低。二氧化硅材料比金属价格低。1.4光纤传感器的应用基于以上六个独特的优点，光纤传感器有着非常广泛的应用范围，可以安全有效的在恶劣的环境中使用，具体表现在以下几个方面：1、在电力系统中，由于存在较强的电磁干扰，传统的传感器不能有效的对系统进行监控。由于光纤传感器不会受到电磁干扰，所以在电力系统中，光纤传感器起到了独一无二的作用。2、传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、大电流传感器。尤其是在高温高压监测应用中，光纤传感器凭借其寿命长，成本低的优势，具有极大的市场需求。3、光纤层析成像分析技术的产生为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式。4、光纤气敏传感器相对于传统的电类传感器具有更高的检测精度，在石油化工行业中，对检测可燃气体浓度、预防安全事故起到了突出作用。5、将光纤传感器嵌入到桥梁、大坝等混凝土大型建筑结构中，检测其应力变形等结构因素。6、光纤陀螺及惯性导航系统。1.5小结光纤传感器与其他传感器相比有着很多独特的优点，正是因为这些优点，使得光纤传感器的应用前景非常的广泛，在诸多领域中都有着大量的应用。第二章微弯型光纤传感器2.1光纤的微弯效应由光纤传光的基本原理可知，光纤中纤芯的折射率比包层中的稍高，光在光纤内是以全反射的方式传播的。当光纤受到弯曲、折绕等外界因素影响时，其内部的反射界面会发生变化，从而影响光纤对光的传播。（如图2-1所示）假设光线在光纤的直线段以大于全反射的临界角入射到界面AB上（其中𝜑1为入射角𝜑2为全反射临界角）。当𝜑1𝜑2时，光线在界面上产生全反射。理想情况下，光将无衰减地在纤芯内传播。当光线射入微弯曲断的界面上时，入射角将小于全反射临界角，这时，入射光一部分在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗，从光纤中输出的光通量相应减少，这就是光纤的微弯损耗效应。基于这原理便可以研制成光纤微弯传感器。图2-1光纤微弯模型上图2-1显示的是以阶跃型光纤为例的微弯效应原理图。光线在光线纤芯和包层界面上满足全反射条件，发生全反射，是光被限制在纤芯中传播。在图2-1所示的子午面内，根据光的反射定律可知，上图光的入射平面、反射光的反射平面和发现所在平面相互重合。这样我们可得光要在光纤内全反射传播的条件：即应使光纤在纤芯-包层分界面上的入射角𝜙2大于光纤的临界角𝜙0。这里𝜙0应满足如下条件：sin𝜑0=𝑛2𝑛1，𝜑2=90。−𝜃𝑛2.1.1多模光纤的微弯损耗多模光纤中由于存在众多的模式，因此难于用统一的公式来表达微弯引起的损耗。理论分析表明，一般情况下，微弯只能使相邻模式之间产生耦合。相邻模式之间传播常数差∆β=𝛽m,1,n−𝛽𝑚,𝑛值越大，耦合月强烈，微弯损耗也越大，而且它和光纤微弯形状密切相关。例如，当光纤为正弦状微弯时，即f(z)={𝐴𝑑sin(𝑘′𝑧)0≪𝑧≪𝐿0𝑧为其他值式中𝑘′为微弯空间频率；𝐴𝑑为微弯幅值；L为微弯区长度。这时通过理论计算可得到微弯损耗α的表达式为α∝𝐴𝑑𝐿4{sin[(𝑘′−𝑘𝑐)𝐿2⁄](𝑘′−𝑘𝑐)𝐿2⁄+sin[(𝑘′+𝑘𝑐)𝐿2⁄](𝑘′+𝑘𝑐)𝐿2⁄}式中，𝑘𝑐=∆𝛽=√2∆/𝑎，∆是光纤的相对折射率差。由上式可以得出以下结论：1、光纤的微弯空间频率𝑘′=𝑘𝑐（微弯周期𝑙=𝑙𝑐）时，光纤的微弯损耗最大。2、光纤的损耗谱在𝑙=𝑙𝑐处的主衰减峰的谱宽为2𝑙𝑐2/𝐿，主衰减峰两侧还有次极大出现。3、光纤的微弯损耗与微弯振幅𝐴𝑑2成正比。这一点对微弯传感器的应用有利。4、光纤的微弯损耗与微弯总长L成正比。上述结论在一定条件下和实验结果相近，且适用于弱耦合情况。2.1.2单模光纤的微弯损耗计算单模光纤微弯损耗的其中一个公式给出如下：{𝛼=𝐴8(𝑘0𝑛1𝑠02)[𝑘0𝑛1𝑠2(𝑝)2]2𝑝𝑠(𝑝)≈12(𝑠0+𝑠∞)式中，A=9.6799×10−19(𝑑𝐵𝑘𝑚⁄)；p=3.2；𝑛1为纤芯折射率；𝑠0为模斑半径。𝑠0和𝑠∞由下式计算:𝑠02=2𝑎2∫|Ψ|2𝑅3𝑑𝑅∞0∫|Ψ|2𝑅𝑑𝑅∞0𝑠∞2=4𝛽2−𝑘02𝑛22式中，R=𝑟𝑎⁄，为归一化径向变量；𝑎为纤芯半径；𝑛2为包层折射率；Ψ为标量场分布。由α表达式能够看出α值和模斑半径密切相关，模斑半径越小，微弯损耗越小。2.2微弯型光纤传感器的基本结构和原理基于光纤微弯损耗原理的光纤微弯传感器在1980年由J.N.Fields和J.H.Cole首次提出。最早用于美国海军研究所研制的光纤水听器系统中，随后出现了大量有关光纤微弯传感器的研究文章。从那以后，许多科学工作者研究光纤微弯传感器机理，提高其动态测试范围和灵敏度，减少其不必要的敏感变化方面做出了大量工作。微弯光纤传感器利用光纤在弯曲时会发生光强损耗这一原理而工作的。利用光纤中全内反射条件因外界因素遭到破坏，部分光能量折射到光纤包层中，使光纤输出的光强变小，通过探测光强的变化，测出相应的物理量。通过一个物理量转换结构，将被测物理量转化到光纤的弯曲程度上来，通过检测光纤输出光的光强变化来反推被测物理量的变化。此类传感器可直接应用于力、位移的测量。图2-2微弯型光纤传感器如图2-2所示的微弯型光纤传感器原理图，上下两块带锯齿槽的夹板即为变形器，两个锯齿槽能够很好的相互吻合。在两夹板间有一根光纤，当外场作用力P发生变化时，光纤微弯变形幅度将随之变化，并进一步引起光纤中耦合到包层中的辐射模也发生相应的变化。对于一个如图所示的三角齿，其光强损耗可表示为：∆T=k∆F(𝑘1+𝐴𝑆𝑌𝑠𝑙𝑠)−1其中，k为传感器的灵敏度；∆F为施加的外力；𝐴𝑠为截面积；𝑌𝑠为杨氏模量；𝑙𝑠为变形器和盘之间的空间测量厚度；𝑘𝑙是与齿形（齿高、周期等）相关的常数。光纤微弯传感系统主要由光源、传感光纤、微弯调制器、光电探测器等部分组成。其中，通常使用的光源有He-Ne激光器、发光二极管以及激光二极管。目前常用的微弯调制器结构有锯齿形、螺旋形、波纹形等多种形式。以锯齿形的微弯调制器为例，在锯齿形光纤微弯传感器中，微弯调制器由一对机械运动周期为Λ的齿形板组成，传感光纤从齿形板中穿过，在齿形板的作用下产生相同周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，传感光纤的弯曲程度随之发生变化，光纤中的传导模与辐射模之间产生耦合，一部分能量泄漏到包层中去，从而导致输出光功率的改变。通过检测光纤中的传导光功率或者包层中辐射模功率的变化就能间接测量外部扰动的大小。2.3微弯型光纤传感器检测技术光纤微弯传感器接收光强信号的方法可分为亮场型和暗场型两种。亮场型检测纤芯中光强的变化，通过纤芯中光强逸出后剩余的多少来实现信号能量的转换，而暗场型则通过检测包层中的光信号，检测逸出纤芯的多少来实现能量的转换。2.3.1亮场检测图2-3亮场检测原理亮场检测原理如图2-3所示，光源产生光载波通过引导光纤进入传感光纤中进行传输，变形器会在外力的作用下产生微弯和变形，导致多模光纤的传导模辐射变化，从而实现光强的检测。在变形器前部或后部可增置模式去除器，可以吸收和消除包层中的纤芯模式，确保传送到光电探测器中的信号是无噪声的亮场信号。2.3.2暗场检测图2-4暗场检测原理暗场检测原理如图2-4所示。其与亮场检测技术不同的地方在于在变形器后面通过包层光耦合器把包层中的逸出光强信号提取，经过光电探测器输出为电信号。因为对于普通微弯传感器，从纤芯逸出到包层的光强比例很小，因此采用亮场检测，光强变化率不大。但暗场检测相比于亮场检测，光信号非常微弱，逸出光强变化很小一点，所占暗场光强的比例就已经很高了，因此其检测灵敏度和调制程度比亮场检测高的多。其原理图如图2-5所示：图2-5暗场检测结构2.4微弯型光纤传感器的应用微弯型光纤传感器的典型应用是作为传感元件构成亮场或暗场光纤传感器阵列系统。2.4.1亮场光纤传感器阵列系统图2-6给出了这种阵列的典型结构。系统中连续光源LD通过一个（1×n）的星型耦合器STC把光载波分别注入到每一个亮场微弯型光纤传感器单元。在传感器单元中经物理场调制的光信号分别在各自光电检测器PIN处完成信号转换，并进一步接受信号处理。图2-6亮场微弯光纤传感阵列2.4.2暗场光纤传感器阵列系统暗场光纤传感阵列如图2-7所示。系统由脉冲源PM和激光源LD组成的离散光源和等间距设置、并串接在一起的多个暗场微弯型光纤传感器单元构成。每个传感器产生的光调制信号通过耦合器BC传送到一根返回的光纤总线，并由于空间的延迟而形成时分复用脉冲序列，在PIN处接受光电检测，然后完成时分解复合信号处理。每个变形器CS前面的模式去除器MF负责滤除包层中的不相关信号。图2-7暗场微弯光纤传感阵列2.5小结微弯型光纤传感器是属于光强调制型传感器。它具有结构简单、检测技术不复杂以及造价低等诸多优点，因此具有广泛的应用前景和实用价值。这种传感器需要进一步研究如何获得更高的灵敏度及完善实用化技术。光电子技术的飞速发展，也带动了光纤传感器及各种光学器件组成的许多先进精密光测量系统的研究与开发，光纤传感器的性能进一步优化,适用面更广，其前景十分看好。