光纖微彎傳感器

光纖微彎傳感器第1頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日

任務(wù)目標(biāo)

掌握光纖微彎傳感器原理掌握光纖微彎傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成掌握光纖微彎傳感器探頭的設(shè)計(jì)與制作了解光纖微彎傳感器的相關(guān)應(yīng)用第2頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日一、光纖微彎傳感器的簡(jiǎn)單介紹當(dāng)光纖狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，這就是微彎損耗，光纖的微彎損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖的宏彎損耗，光纖既傳光又傳感，可劃分為傳感型光纖傳感器。微彎式光纖傳感器是根據(jù)光纖微彎變形引起纖芯或包層中傳輸?shù)墓廨d波強(qiáng)度變化的原理制成的全光纖型傳感器。微彎式傳感技術(shù)可分為亮場(chǎng)型和暗場(chǎng)型兩種。前者是通過對(duì)光纖芯中光強(qiáng)度的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換；而后者則檢測(cè)包層中的光信號(hào)。光纖微彎傳感器通過外界因素導(dǎo)致光纖發(fā)生微彎變化，進(jìn)而導(dǎo)致光纖傳輸光強(qiáng)變化來反映或者測(cè)量待測(cè)量變化，屬于非功能型光纖傳感器。第3頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日二、光纖微彎傳感器的基本原理分析彎曲損耗的機(jī)理現(xiàn)代光纖最重要的優(yōu)點(diǎn)之一就是它的易彎曲性，如果光纖彎曲的曲率半徑太小，將引起光的傳播途徑的改變，使光從纖芯滲透到包層，甚至有可能穿過包層向外滲漏。在正常情況下，光在光纖里沿軸向傳播的常數(shù)β應(yīng)滿足：n2k0＜β＜n1k0。當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光在彎曲部分中進(jìn)行傳輸，要想保持同相位的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在一個(gè)平面里，則越靠近外側(cè)，其速度就會(huì)越大。當(dāng)傳到某一位置時(shí)，其相速度就會(huì)超過光速，這意味著傳導(dǎo)模要變成輻射模，所以，光束功率的一部分會(huì)損耗掉，這也就意味著衰減將會(huì)增加。光纖成纜、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)、光纜接頭等場(chǎng)合都會(huì)引起光纖的彎曲損耗。第4頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日微彎損耗的機(jī)理

所謂微彎損耗就是光纖受到不均勻應(yīng)力的作用，例如受到側(cè)壓力或者套塑光纖受到溫度變化時(shí)，光纖軸產(chǎn)生微小不規(guī)則彎曲，其結(jié)果是傳導(dǎo)模變換為輻射模而導(dǎo)致光能損耗。微彎是一些隨機(jī)的、曲率半徑可以與光纖的橫截面尺寸相比擬的畸變。纖芯包層接口在幾何上的不完善可能會(huì)造成在相應(yīng)區(qū)域上微觀的凸起或凹陷。盡管光是在光纖的直分段中傳輸，光束碰到這些不完善的地方會(huì)改變其方向。光束最初以臨界傳播角傳輸，經(jīng)過在這些不完善點(diǎn)處的反射以后，傳播角會(huì)發(fā)生變化，結(jié)果就是不再滿足全內(nèi)反射條件，部分光被折射掉，即泄露出纖芯，這就是微彎損耗的機(jī)制。單模光纖中的微彎損耗是依賴于波長(zhǎng)的，即單模光纖對(duì)微彎損耗的敏感性隨著波長(zhǎng)的增加會(huì)有少量的增長(zhǎng)，產(chǎn)生這種變化的物理原因是因?yàn)檩^長(zhǎng)的波長(zhǎng)會(huì)使MFD增加，從而使更多的功率輻射到纖芯外。第5頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日微彎效應(yīng)

光纖的彎曲將會(huì)引起光纖中的傳導(dǎo)模與輻射模之間產(chǎn)生耦合，從面使一部分導(dǎo)模泄漏到包層中去，通過檢測(cè)光纖中的傳導(dǎo)光功率或包層中輻射模功率的變化，就能測(cè)出位移或壓力大小。引起微彎板變化的物理量有溫度、壓力、位移等。第6頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日光模式強(qiáng)度調(diào)制原理

當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，這就是微彎損耗。在光纖微彎傳感器中，微彎處一般彎曲成正弦狀，設(shè)微彎部分的空間周期為Λ，振幅為A，如下圖所示微彎板微彎板光纖光纖周期Λ振幅4A光模式強(qiáng)度調(diào)制原理第7頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日兩個(gè)模的傳播常數(shù)分別為β和β′，當(dāng)Δβ=│β-β′│=2π/λ相位失配為零，模間精合達(dá)到最佳。當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，第8頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日變形器的位移改變了彎曲處的模振幅，從而產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制。對(duì)于拋物線(或平方律或梯度)折射率分布的光纖．變形器的臨界空間周期為對(duì)于階躍光纖第9頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日三、光纖傳感器的應(yīng)用光纖微彎壓力傳感器微彎光纖水聲傳感器微彎光纖位移傳感器基于OTDR用于工程監(jiān)測(cè)的光纖微彎應(yīng)變傳感器在復(fù)合材料成型表征中的應(yīng)用光纖微彎型懸梁傳感器用于編織復(fù)合材料應(yīng)變檢測(cè)第10頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日彎曲損耗的利用（1）模式過濾器：過濾就是對(duì)高級(jí)模式的去除，只要彎曲一下，光纖就可以作為模式過濾器。（2）衰減器：衰減器是在控制狀態(tài)下減少傳輸功率的裝置。有一類衰減器只要將用于傳輸?shù)墓饫w轉(zhuǎn)幾圈就可以了，根本不需要引入外部器件，使用這種衰減器，可以通過控制光纖以給定的半徑所轉(zhuǎn)的圈數(shù)來控制衰減量。（3）熔接機(jī)：使用彎曲損耗來控制熔接質(zhì)量。熔接是通過將光纖的端面熔化后將兩根光纖連接在一起的過程，這個(gè)過程與金屬焊接過程類似。（4）光纖識(shí)別儀：光纖識(shí)別儀是一種利用光纖彎曲效果的儀器。當(dāng)將一根光纖彎曲時(shí),有些光會(huì)從光纖中輻射出來，這些光就會(huì)被光纖識(shí)別儀檢測(cè)到，在不切斷光纖、不中斷通信的條件下，技術(shù)人員根據(jù)這些光可以將多芯光纖或單根光纖從其他光纖中識(shí)別出來，并檢測(cè)光的狀態(tài)及方向。大多數(shù)的光纖識(shí)別儀用于波長(zhǎng)為1310nm或1550nm的單模光纖光纜。第11頁，共13頁，2023年，2月20日，星期日光纖微彎損耗效應(yīng)在檢測(cè)與自控技術(shù)中的幾種應(yīng)用

（1）光纖微彎及多圈螺旋式傳感器光纖微彎可有多種彎曲變形形式,當(dāng)被測(cè)物受到外界影響時(shí)，光纖發(fā)生彎曲變形，通過檢測(cè)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β首兓慷ǔ霰粶y(cè)量。為了提高靈敏度，將微彎曲傳感光纖做成多圈螺旋管狀。（2）齒條式傳感器這種傳感器結(jié)構(gòu)的形式，可適當(dāng)選擇齒條式傳感器的齒間周期δ，使之與光纖導(dǎo)波模間的傳播系數(shù)相當(dāng)，滿足條件δ=2πΔβ。當(dāng)外界因素使變形器產(chǎn)生位移時(shí)，嵌入其中的光纖因彎曲引起各相鄰模式間的有效耦合，導(dǎo)波模不斷轉(zhuǎn)換成包層模，發(fā)生