微弯型光纤传感器.docx

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、广泛，在诸多领域中都有着大量的应用。第一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φ1>φ2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

6、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

7、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fz=Adsink'z0≪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∝AdL4sink'-kcL2k'-kcL2+sink'+kcL2k'+kcL2式中，kc=∆β=2∆/a，∆是光纤的相对折射