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1、微弯光纤传感器的原理和应用TechnologyReview;的摘要:光纤微弯传感器以其构简单，成木低廉,便于装备等优点越来越受到人们的关注,光纤微弯调制原理的应用已扩展到位移，力，加速度等各种物理参量的测量中.本文简要介绍了光纤微弯传感器的工作原理，结构，对光纤微弯传感器在多种参量测量中的典型和最新的应用情况做了详细介绍.关键词:微弯调制，光纤传感，原理，应用中图分类号:TN253TP2124文献标识码:A文章编号:1006—883X(2007)01—0013-05李洪刚，范万德，盛秋琴・，弓I言光纤具有电绝缘性能好，不受电磁干扰,
2、无火花，能在易燃易爆的环境中使用等优点而越来越受到人们的重视，各种光纤传感器已相继问世.其中微弯光纤传感器是一种重要的光纤传感器启1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出光纤微弯传感器原理以来，光纤微弯传感器就由于构简单，成本低廉，便于装备等优点倍受人们关注.光纤微弯传感器最早用于美国海军研究所研制的光纤水听器系统中•之后，光纤微弯调制原理的应用扩展到位移，力，加速度等各种物理参量的测量中.其检测位移分辨率可达到lO.rim量级水平，检测动态范围达〜lOOdB以上•由于微弯传感器其光路的密闭性，可以在高压，高温，低温
3、等恶为环境条件下工作,弥补了其它类型的传感器不能在此种条件下工作的空白•它协助光纤光栅的应变与温度双参量传感器有效解决了温度与应变的交叉敏感问题等等.它还可以制作抗干扰能力强等特点的光纤式质量流量计•作为一种新型的光纤传感器有着良好的发展前景.二,微弯光纤传感器的工作原理1,工作原理和结构微弯光纤传感器是利用光纤中传播的高阶模全内反射条件因待测物理量而受到影响,部分能量在弯曲段从侧而逸出，使光纤中的光通量减少，通过检查光能量的变化，测出相应的物理量•它由变形器和敏感光纤构成，如图1所示,其中变形器通常由一对机械周期为的齿形板组成，敏
4、感光纤则从齿形中间穿过，在齿形板的作用下产牛周期性的弯曲.当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化,从而导致输岀光功率的改变，通过测量输出光功率变化来间接测量外部扰动的大小,从而实现微弯传感器功能.设施加于变形器的外界扰动为相应的施加于光纤的力为AF,光纤的形变为x,其和应的变化量为厂八，光纤的传输常数I•，其相应的变化量为△丁，则有［21:Ar=Il(l)其中,一和外界扰动AE有关的常数,DAE二AX若由施加于光纤的力AF表示，则(1)式变为：■嚣-Techr〜otogyReview综述尔迎4-其中•一弯曲光纤的力学常数；A—
5、光纤的横截面积；光纤的杨氏模量：变形器的长度.变形器将外界参量的改变AE以力AF施加于传感光纤上，即:A.C(3)其中,C一外界扰动的函数.对应于压力传感,C和变形器的面积A成正比关系，则⑵式变为：(I)其中,AP_压力的改变龍.对于具有高敏感的压力传感器来说当非常小，因此f(4)式可简化为：，△尸(5)对应于温度传感，则(2)式可简化为；A0(6)其中,ds—变形器的热膨胀系数：△温度的改变量.对应于加速度传感，则(2)式可简化为：△:ATmK■⑺其中，卅一-变形器的质量:△一加速度的改变量.以上齐式中是灵敏度系数,其值和变形器的
6、机械周期以有很大的关系•由此可以知道，对于不同的外界参量改变部有相应的传输光功率变化规律与之对应，因此，根据变形器的结构，各种外界参量都可以被测定.在多模光纤中，光纤的弯曲将导致传输模之间的能量耦合，分别有低次模向高次模的耦合，高次模向低次模的耦合，传输模向损耗模的耦合，损耗模向传输模的耦合.微弯曲几乎不影响低次模与高次模之间的耦合，传输模向损耗模的耦合将导致光强的削弱•由于损耗模的损耗速度1-穗豫强饿景:勰啪枷撇制朔涵呻哦凶稚醐#・非常快，损耗模向传输模的耦合可以忽略不计•即当多模光纤发生微弯曲的时候，随着弯曲的曲率和长度的增大.
7、光纤中传输的高次模将向损耗模耦合，由此将导致光纤的微弯曲损耗.光纤传输理论证明】【存在一个最佳的周期,在该周期下使得传输模Z间出现完全耦合,此时微弯曲所导致的损耗最大•下面求岀最佳的周期.如果我们设能使两个传播常数分别为k和k的模完全耦合的周期为以，则此时有：k一七，:⑻A在同一多模光纤中，两个相邻的模和+1间的传输常数差为：七〜””酬A=2一n式中，卅一•模的次数；光纤中传输的模的总数：折射率梯度参数；n一光纤纤芯半径；,lr一纤芯折射率：,1一包层折射率.对于阶跃型光纤，籬o.，则(9)式化简为；七一=㈡将(10)代入⑻式我们得
8、到最佳周期A为：V2翻,InA=,N.A对于抛物线型的渐变型光纤,2,则⑼式化简为;⑼(10)IReview将(12)代入⑻式我们得到最佳的周期为:A=一2Jr,ano(13)IV.A其屮,II一纤芯半径；,1『—纤芯折射率；IV-A
