智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)

1、 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 1 高錕 華裔物理學(xué)家，為光纖通訊、 電機(jī)工程專家，華文媒體譽(yù)之為 “光纖之父”、普世譽(yù)之為“光 纖通訊之父”（Father of Fiber Optic Communications），曾任香港中文大學(xué) 校長(zhǎng)。2009年，與威拉德博伊爾和喬治埃 爾伍德史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 2 高錕高錕光纖之父光纖之父 博伊爾博伊爾&史密斯史密斯發(fā)明發(fā)明CCD圖像傳感器圖像傳感器 2009年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主 Fig.1貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室George Smith和和 Willard Boyle將可視電話和半導(dǎo)

2、體將可視電話和半導(dǎo)體 存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型原型 Fig.2 現(xiàn)代現(xiàn)代CCD芯片外觀芯片外觀 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 3 趙梓森 中國(guó)工程院院士，國(guó)際電氣電子工程 師協(xié)會(huì)高級(jí)會(huì)員，他是我國(guó)光纖通信 技術(shù)的主要奠基人和公認(rèn)的開拓者， 被譽(yù)為“中國(guó)光纖之父” 。 武漢中國(guó)光谷的首席科學(xué)家，因?yàn)橛H手研發(fā)了 中國(guó)第一根實(shí)用化光纖光纜和第一套光纖通信 系統(tǒng)，而被譽(yù)為“中國(guó)光纖之父”。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 4 什么是光纖？ 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種由玻璃或塑料 制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 5 傳輸原理：光的全反射（又

3、稱全內(nèi)反射，指光 由光密介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中的折射率大的） 射到光疏介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中折射率小的） 的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象） 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 6 v全反射的應(yīng)用：光導(dǎo)纖維和液晶背光 v光纖在結(jié)構(gòu)上有中心和外皮兩種不同介質(zhì)，光從中 心傳播時(shí)遇到光纖彎曲處，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，而 保證光線不會(huì)泄漏到光纖外。 v背光是電子工業(yè)中一種常用的照明形式，常被用于 LCD顯示器上。背光是從顯示器的側(cè)邊或是背后提 供照射，其光源可能是電光面板，發(fā)光二極管等。 電光面板提供整個(gè)表面均勻的發(fā)光。與光纖的要求 不同，在邊緣型LED背光中，要求破壞發(fā)光管 （Lighting Pipe）

4、表面的全發(fā)射條件，使得光線可 以從發(fā)光管中泄漏出來(lái)而產(chǎn)生照明的效果。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 7 v微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷 裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光 纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖 。 v在日常生活中為什么光纖被用作長(zhǎng)距離的信息傳遞？ v通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì)被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須 由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外 層的保護(hù)層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對(duì)光纖的傷害，如水、 火、電擊等。 光纜分為：纜皮、芳綸絲、緩沖層和

5、光纖。 光纖：同軸電纜相似，只是沒(méi)有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播 的玻璃芯。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 8 v光纖的芯 在多模光纖（在給定的工作波長(zhǎng)上傳輸多種模式的光 纖 ）中，芯的直徑是50m和62.5m兩種，大致與 人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。而單模光纖（只能傳一種模式 的光纖 ）芯的直徑為8m10m。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 9 v為什么要有包層和涂覆層呢？ v芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套， 俗稱包層，包層使得光線保持在芯內(nèi)。再外 面的是一層薄的塑料外套，即涂覆層，用來(lái) 保護(hù)包層。光纖通常被扎成束，外面有外殼 保護(hù)。 v纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小 的雙層同心圓

6、柱體，它質(zhì)地脆，易斷裂，因 此需要外加一保護(hù)層。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 10 光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)： v頻帶寬：頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。 v損耗低：光纖傳輸損耗還有兩個(gè)特點(diǎn)，一是在全部有線電視 頻道內(nèi)具有相同的損耗，不需要像電纜干線那樣必須引入均 衡器進(jìn)行均衡；二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔(dān)心因 環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動(dòng)。 v重量輕：光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量 輕的特點(diǎn)，安裝十分方便。 v抗干擾能力強(qiáng)：因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo) 電，不受電磁場(chǎng)的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁場(chǎng)的 影響，故光纖傳輸對(duì)電磁干擾有很強(qiáng)的抵御能力。光纖中傳 輸?shù)?/p>

7、信號(hào)不易被竊聽，利于保密。 v保真度高：因?yàn)楣饫w傳輸一般不需要中繼放大，不會(huì)因?yàn)榉?大引入新的非線性失真。 v成本不斷下降：由于制作光纖的材料(石英)來(lái)源十分豐富， 隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本還會(huì)進(jìn)一步降低 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 11 光纖的應(yīng)用 通信應(yīng)用 利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行的通信叫光纖通信。一對(duì)金屬電話 線至多只能同時(shí)傳送一千多路電話，而根據(jù)理論算， 一對(duì)細(xì)如蛛絲的光導(dǎo)纖維可以同時(shí)通一百億路電話！ 鋪設(shè)1000公里的同軸電纜大約需要500噸銅，改用光 纖通信只需幾公斤石英就可以了。 醫(yī)學(xué)應(yīng)用 光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡可導(dǎo)入心臟和腦室，測(cè)量心臟中的血 壓、血液中氧的飽和度、體溫等。用光導(dǎo)纖維連接的

8、激光手術(shù)刀已在臨床應(yīng)用，并可用作光敏法治癌。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 12 傳感器應(yīng)用 光導(dǎo)纖維可以把陽(yáng)光送到各個(gè)角落，還可以進(jìn)行機(jī)械 加工。計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、汽車配電盤等也已成功地用 光導(dǎo)纖維傳輸光源或圖像。如與敏感元件組合或利用 本身的特性,則可以做成各種傳感器,測(cè)量壓力、流量、 溫度、位移、光澤和顏色等。在能量傳輸和信息傳輸 方面也獲得廣泛的應(yīng)用。 藝術(shù)應(yīng)用 由于光纖的良好的物理特性，光纖照明和LED照由于 光纖的良好的物理特性，光纖照明和LED照明已越來(lái) 越成為藝術(shù)裝修美化的用途。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 13 光纖技術(shù)與應(yīng)用1,2,3 對(duì)什么是光纖有更深的了解了嗎？

9、 到此光纖的基本知識(shí)介紹完畢。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 14 3.1 發(fā)展概述 用光導(dǎo)纖維構(gòu)成智能材料的傳感系統(tǒng)是從70年代末開始 的.（3個(gè)階段） 1.把光纖埋入先進(jìn)復(fù)合材料，用來(lái)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的應(yīng)變及溫 度。目的是用光纖完成多種參數(shù)測(cè)量和信號(hào)傳輸，解決的主 要問(wèn)題是光纖、光纖傳感器和復(fù)合材料類型選擇與設(shè)計(jì)、光 纖和復(fù)合材料相容性研究、光纖埋入工藝探索等。 2.大量開展了用光纖傳感器監(jiān)測(cè)復(fù)合材料固化、材料承載后 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試和材料損傷評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)研究。 其工程和學(xué)術(shù)上的價(jià)值在于：促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料，如碳 纖維或有機(jī)纖維加強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件中的實(shí)際應(yīng) 用；光纖傳感技

10、術(shù)和先進(jìn)復(fù)合材料成功地結(jié)合，為發(fā)展智 能材料奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 3. 90年代初，光纖智能蒙皮完成關(guān)鍵技術(shù)研制和飛行性能評(píng) 估，進(jìn)入應(yīng)用研究階段。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 15 飛機(jī)裝配光纖智能蒙皮部位示意圖（深色部位）飛機(jī)裝配光纖智能蒙皮部位示意圖（深色部位） 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 16 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 17 裝有智能蒙皮的戰(zhàn)斗機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)用于武器裝備外殼的先進(jìn)復(fù)合材料加工成型過(guò)程中隨時(shí)監(jiān) 測(cè)熱壓成型工藝中復(fù)合材料的溫度和固化程度，提高了材料使 用的可靠度，并可避免安全設(shè)計(jì)余量過(guò)大而造成的浪費(fèi)和整機(jī) 質(zhì)量的增加，這一直是航空設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難題；

11、(2)起飛前自動(dòng)進(jìn)行機(jī)身構(gòu)件及蒙皮的非損傷評(píng)估，預(yù)測(cè)飛行 可能性； (3)在飛行過(guò)程中，實(shí)時(shí)、自動(dòng)分布監(jiān)測(cè)機(jī)身和機(jī)翼的空氣動(dòng) 力學(xué)參數(shù)、所受應(yīng)力及溫度變化； (4)在戰(zhàn)斗過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行負(fù)載環(huán)境及損傷的形成，評(píng) 價(jià)戰(zhàn)斗損傷，計(jì)算剩余實(shí)力，存貯相關(guān)數(shù)據(jù)，并向飛行員提供 飛行限制； (5)著陸以后，智能蒙皮向地面人員提供積累的飛行數(shù)據(jù)以及 有關(guān)結(jié)構(gòu)完整性和所需維修的信息。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 18 使用光纖傳感器的智能材料分為智能結(jié)構(gòu)和智能蒙皮。 1.智能結(jié)構(gòu)： 智能結(jié)構(gòu)是指大型智能構(gòu)件(如橋梁、建筑物、大壩的 水泥預(yù)制件，核反應(yīng)堆、火箭發(fā)射臺(tái)的基座，航天飛行器、 陸地戰(zhàn)車和潛艇

12、的框架等)。它可測(cè)量結(jié)構(gòu)的載荷大小、 振動(dòng)幅度、溫度和應(yīng)力分布、應(yīng)變、扭曲、蠕變、層解、 微裂及其他損傷，廣泛用于載荷引起的結(jié)構(gòu)疲勞和地震災(zāi) 害預(yù)測(cè)等軍用及民用大型設(shè)施。 2.智能蒙皮： 智能蒙皮則用于機(jī)翼、潛艇外殼、推進(jìn)器葉片等。它除 具有智能結(jié)構(gòu)的性能外，與內(nèi)部執(zhí)行器配合，還可自動(dòng)檢 測(cè)和控制殼體振動(dòng)、流體與表面引起的噪音，自動(dòng)檢測(cè)和 調(diào)節(jié)材料的多種性能(如反光性能、反輻射性能、電或熱 導(dǎo)性能、通風(fēng)滲透性能等)，或改變自身形狀。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 19 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 20 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 21 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 22 第

13、3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 23 3.2 智能材料中傳感系統(tǒng)的選擇 集成型智能材料由在基體材料中埋人傳感系統(tǒng)、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行器(驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)組成。對(duì)傳感器的 選擇應(yīng)滿足如下基本要求。 (1)滿足強(qiáng)度相容要求； (2)滿足界面相容要求； (3)滿足工藝相容要求； (4)滿足場(chǎng)分布相容要求； (5)滿足尺寸相容要求。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 24 先進(jìn)復(fù)合材料中埋入光纖傳感陣列取得成功，正是因?yàn)樗?們基本符合上述傳感介質(zhì)與基體材料的相容關(guān)系。 對(duì)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，其纖維增強(qiáng)組分和分層結(jié)構(gòu)適合光纖的 埋入。對(duì)光纖來(lái)說(shuō)，它更具有其他類型傳感介質(zhì)無(wú)可比擬的 優(yōu)點(diǎn)。光導(dǎo)纖維具有傳感和傳輸雙重

14、功能，即光纖中傳輸光 波，經(jīng)一定結(jié)構(gòu)的光纖傳感回路，可以使光的傳輸強(qiáng)度、偏 振、相位或波長(zhǎng)受到待測(cè)物理量的調(diào)制，被調(diào)制后的信號(hào)仍 在光纖中傳播。省去了金屬導(dǎo)線，減少了電磁干擾。光纖作 為傳輸載體時(shí)直徑細(xì)小、質(zhì)量輕、易彎曲、耐高溫并便于埋 入復(fù)合材料。除此之外還具有抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕、傳 輸帶寬較寬、用單根光纖可以進(jìn)行波分復(fù)用和復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。 作為傳感介質(zhì)，用光纖組成的干涉型傳感器可測(cè)量溫度、壓 力、速度、流量、位移、電磁場(chǎng)等多種物理量并且有極高的 靈敏度。因此光纖已成為當(dāng)前智能材料首選的信息傳感和傳 輸?shù)睦硐胼d體。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 25 3.3 智能材料用特種光纖 光纖的基

15、本屬性使它適于作為集成型智能材 料的傳感，但在具體應(yīng)用中還有一些特殊要求。 1.細(xì)徑光纖 2.特殊涂覆光纖（聚酰亞胺涂層光纖） 3.抗疲勞光纖 4.單模保偏光纖 5.雙模光纖 6.同心雙通光纖 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 26 普通通信光纖 光纖呈圓柱形，它由纖芯、包層與涂敷層三大部分組成 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 27 1、纖芯、纖芯 纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1 約950 微米）， 其成份是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜 劑如二氧化鍺，五氧化二磷等。摻有少量摻雜劑的目的 是適當(dāng)提高纖芯的光折射率 (n1) 。 2、包層、包層 包層位于纖芯的周圍（其直徑d2 約1

16、25 微米），其 成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜 劑（如三氧化二硼）的作用則是適當(dāng)降低包層的光折射 率 (n2) ，使之略低于纖芯的折射率。 3、涂敷層、涂敷層 光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的 涂敷層，其作用是增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。一 般涂敷后的光纖外徑約1.5 厘米。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 28 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 29 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 30 1.細(xì)徑光纖 普通單模光纖的芯/包層直徑為9-125um ，多模光纖為50- 125um ，加上外保護(hù)涂層直徑為250um 。先進(jìn)復(fù)合材料中 典型的加強(qiáng)碳纖維的直徑只有

17、10 um 。因此相對(duì)來(lái)說(shuō)，光纖 顯得太粗，埋入復(fù)合材料后會(huì)在光纖周圍形成樹脂富集區(qū)。 樹脂富集區(qū)的大小與光纖直徑及光纖與碳纖維相對(duì)取向有關(guān)。 在其他條件相同的情況下，當(dāng)光纖與碳纖維垂直走向時(shí)，樹 脂富集區(qū)最大。隨兩種纖維走向逐漸平行，樹脂富集區(qū)也隨 之減小。樹脂富集區(qū)大小隨光纖直徑的變化示于表3-1，它 隨光纖直徑的減小而縮小。復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，在樹 脂富集區(qū)將發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力值可能比均勻復(fù)合區(qū)高出一 個(gè)數(shù)量級(jí)，造成復(fù)合材料強(qiáng)度下降。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 31 光纖周圍樹脂富集區(qū) m2 mm 光纖外徑對(duì)形成樹脂富集區(qū)的影響 光纖外徑（ 樹脂富集區(qū)（ 光纖外徑 樹脂富集區(qū)

18、 1409.86 904.26 603.14 402.29 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 32 一般來(lái)說(shuō)，埋入復(fù)合材料作傳感系統(tǒng)使用的光纖， 要求外徑尺寸與復(fù)合材料的層間厚度相近。 制造細(xì)徑光纖可以采用兩種方法。對(duì)小長(zhǎng)度光纖 (幾米至上百米)一般用腐蝕法制造。如果用量較大，應(yīng) 在光纖拉絲工藝中加以控制。 除光纖直徑以外，光纖在復(fù)合材料中相對(duì)于加強(qiáng) 纖維（如碳纖維）的走向及埋入深度（埋在第幾層之 間），對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度及檢測(cè)靈敏度有顯著影響。但 這種影響又與光纖直徑、涂層材料、復(fù)合材料基體和 測(cè)量的量等多種因素有關(guān)。因此針對(duì)不同使用要求， 應(yīng)做出權(quán)衡選擇。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 3

19、3 從已完成的大量研究工作中，可得出如下結(jié)論。 (1)光纖夾在加強(qiáng)纖維的兩直排層間并與加強(qiáng)纖維平行， 對(duì)復(fù)合材料沿此方向的拉伸強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。這 種結(jié)構(gòu)適于測(cè)量復(fù)合材料的溫度和應(yīng)變。 (2)用于檢測(cè)斷裂臨界負(fù)載造成的損傷時(shí)，光纖應(yīng)埋在靠 近最大應(yīng)變的表層，并與上、下直排加強(qiáng)纖維正交，如圖 3-3中，這樣可獲得最大靈敏度。 (3)光纖外徑小于復(fù)合材料層間厚度(120um140um ) 時(shí)材 料的拉伸強(qiáng)度下降較小，不影響大多數(shù)情況下使用。 (4)埋入光纖根數(shù)對(duì)強(qiáng)度有一定影響。 用不用數(shù)量的光纖 埋入單位體積材料中。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 34 光纖與加強(qiáng)纖維的各種取向 光纖埋入

20、復(fù)合材料剖面圖 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 35 2 特殊涂覆光纖 智能材料傳感器光纖埋入復(fù)合材料時(shí)，光纖涂層應(yīng)具有 較高的彈性模量和良好的耐高溫性能。 常用的紫外固化丙烯酸類涂層對(duì)光纖的附著力較差，而 且固化后仍有明顯的塑性。這種一次被覆光纖在復(fù)合材料中 與基體材料的耦聯(lián)性差，不能有效地將應(yīng)變耦合給光纖，因 而影響應(yīng)力測(cè)量靈敏度。初期的實(shí)驗(yàn)曾使用裸光纖，光纖表 面雖具有很好的剛性，但很脆，不能在惡劣環(huán)境下使用。 光纖涂層的耐高溫特性主要是復(fù)合材料成型工藝要求的。 由于使用的樹脂不同，復(fù)合材料的熱壓成型工藝一般在 150390下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，如果在復(fù)合材料中埋人丙 烯酸涂層光纖，當(dāng)復(fù)合

21、材料溫度為160時(shí)，由于涂層性能下 降，導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度下降8，縱向壓縮強(qiáng)度下 降26；而高于175時(shí)丙烯酸涂層根本不能使用。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 36 聚酰（xin ）亞胺涂層光纖可同時(shí)解決上述兩個(gè)問(wèn)題。聚酰亞 胺類樹脂如熱固性聚酰亞胺(PI) 已被正式用于高性能光纖涂層， 它固化后有足夠的剛性，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)300350，短 期可經(jīng)受450500高溫，200以下工作壽命超過(guò)50000h， 因此聚酰亞胺涂層光纖是智能材料與結(jié)構(gòu)中使用的惟一理想實(shí) 用光纖。 金屬涂層光纖也是特殊涂覆光纖的重要品種。金屬涂層一般 都具備耐高溫和剛性好的特性，滿足埋人復(fù)合材料加熱成型的 工

22、藝要求和應(yīng)力耦合的必要條件。但常用的鋁涂層光纖埋人復(fù) 合材料后，由于鋁的氧化層與樹脂親合力差，影響了它的實(shí)際 使用。當(dāng)前金屬涂層光纖用于樹脂基和水泥基智能材料的研究 工作正在進(jìn)行，研究的重點(diǎn)是尋找適當(dāng)?shù)慕饘偻繉?。它?yīng)與樹 脂有較強(qiáng)的親合力或能抗水泥堿性的腐蝕，同時(shí)還要滿足涂覆 工藝方便、成本低廉的要求。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 37 3 抗疲勞光纖 影響硅基光纖長(zhǎng)期可靠性的兩個(gè)重要因素是由靜態(tài)疲勞 引起的光纖強(qiáng)度衰減和滲氫引起的光纖損耗增加。在光纖 的制作過(guò)程中，光纖表面不可避免地會(huì)產(chǎn)生某些微裂紋和 微缺陷，在使用過(guò)程中，如成纜、敷設(shè)造成的彎曲和應(yīng)力， 引起光纖微裂紋末端應(yīng)力集中，使

23、光纖強(qiáng)度下降。另外， 即使光纖在存放狀態(tài)下，由于環(huán)境中微量氫氣和水汽也會(huì) 產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，使微裂紋擴(kuò)展。 埋入智能材料的光纖多用于測(cè)量應(yīng)力和溫度，因此經(jīng)常 處在應(yīng)力狀態(tài)中。此外，隨溫度的變化復(fù)合材料的有機(jī)樹 脂也會(huì)產(chǎn)生少量的氫氣。這些因素都會(huì)加速光纖的疲勞過(guò) 程，使已埋入復(fù)合材料的光纖的長(zhǎng)期可靠性受到影響。解 決這問(wèn)題的有效途徑是使用抗疲勞光纖。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 38 抗疲勞光纖是在光纖包層外用化學(xué)氣相沉積法直接沉積 一層碳膜，然后再涂上一層聚合物防護(hù)涂層。碳膜厚度一 般為30nm80nm，光纖結(jié)構(gòu)如圖所示。 光纖作為智能材料傳感 系統(tǒng)埋入復(fù)合材料后不 可能再更換或取出。在

24、 智能材料經(jīng)常受到應(yīng)力 載荷或完成自適應(yīng)功能 而變形的情況下，光纖 的長(zhǎng)期可靠性和壽命尤 為重要，因此必須使用 抗疲勞光纖。碳涂覆光 纖也是一種特殊涂覆光 纖。 碳涂覆工藝最成熟，且成本低、 抗疲勞性能優(yōu)異，已成為抗疲勞光 纖的主要品種。它在軍用光纖信號(hào) 及圖像傳輸、海底光纜等場(chǎng)合也有 重要應(yīng)用。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 39 4 單模保偏光纖 普通單模光纖中有兩個(gè)偏振模傳輸。在理想狀態(tài)下，它們 應(yīng)有相同的偏振狀態(tài)。但在實(shí)際中由于光纖幾何形狀不標(biāo)準(zhǔn)、 結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、工藝中的殘余應(yīng)力等原因，使偏振模的簡(jiǎn)并退 化而形成兩個(gè)正交的偏振模。又由于外界溫度、應(yīng)力、微彎 等因素的影響，普通單模光纖

25、中產(chǎn)生線性雙折射和圓雙折射， 使這兩個(gè)偏振模發(fā)生耦合，因而光纖內(nèi)部傳輸光束的偏振狀 態(tài)在空間和時(shí)間上是隨機(jī)變化的。光纖傳輸狀態(tài)的不確定性， 妨礙了它在干涉型光纖傳感器中的應(yīng)用。 單模保偏光纖具有在傳輸過(guò)程中保持入射偏振狀態(tài)不變 的作用。制作這種光纖的主要途徑是人為增加光纖內(nèi)部雙折 射，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上述各種因素的影響，可使被激勵(lì)的一個(gè) 偏振本征模的功率不會(huì)耦合到另一個(gè)正交模中去，從而保持 了入射偏振狀態(tài)的穩(wěn)定。這種保偏光纖也叫高雙折射光纖。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 40 幾種保偏光纖的結(jié)構(gòu) （a）橢芯光纖（b）熊貓光纖 （c）碟形光纖（d）橢圓包層光纖 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)

26、 41 5 雙模光纖 光波是一種電磁波。它在光纖這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸 必須滿足麥克斯韋方程和由光纖材料、結(jié)構(gòu)決定的邊界 條件。由于工作波長(zhǎng)和光纖結(jié)構(gòu)不同，光纖內(nèi)部可以傳 輸不同的電磁波。 不同的傳輸模具有不同的電磁分布(強(qiáng)度分布)、不 同的傳播常數(shù)(傳播速度)、不同的偏振狀態(tài)。單模光纖 只允許最低階模，在弱波導(dǎo)理論中叫LP01模(或基模)傳 輸。如上節(jié)所述，纖芯具有圓形截面的單模光纖的LP01 模由兩個(gè)偏振方向相互垂直的本征模組成，這兩個(gè)模有 相同的強(qiáng)度分布和不同的偏振狀態(tài) 。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 42 滿足單模傳輸?shù)臈l件是 4048. 2 2 2 2 2 1 nn a 對(duì)一確定的

27、光纖，滿足上式的波長(zhǎng)叫截止波長(zhǎng) 為： c 2 2 2 1 4048. 2 2 nn a c 是除基模LP0l以外的次低階模LPll模的截止波長(zhǎng)，當(dāng)工 作波長(zhǎng) c c 時(shí)該模截止，只有基模LP0l傳輸 c 當(dāng) 時(shí)，LP0l和LP11模同時(shí)傳輸，工作在這種狀態(tài) 下的光纖稱雙模光纖。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 43 LP11模由奇模LP11O和偶模LP11e組成。實(shí)際上雙模包 括了LP01、LP11O和LP11e中各自相互垂直的六個(gè)本征振模， 如圖所示。 LP11和LP01模的強(qiáng)度分布和偏振結(jié)構(gòu) （a）LP01模 （b）LP11模 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 44 智能材料中的光纖傳感

28、系統(tǒng)，一般是把光纖組成干涉儀使 用。光纖干涉儀由信號(hào)光纖(信號(hào)臂)和參考光纖(參考臂)組成。 信號(hào)光纖受到外界待測(cè)場(chǎng)的擾動(dòng)，感生了傳輸光束的相位變 化，與參考臂未受擾動(dòng)的相位比較，通過(guò)相干光強(qiáng)度的變化 檢測(cè)出待測(cè)量。如果把干涉儀信號(hào)臂和參考臂都埋人復(fù)合材 料，參考臂光纖也受到與信號(hào)臂同樣的影響，產(chǎn)生同樣的相 位變化，就起不到參考作用，因而無(wú)法進(jìn)行相干檢測(cè)。 保偏光纖或雙模光纖傳輸?shù)牟煌Ｊ剑S外界環(huán)境變化將 產(chǎn)生相位差。因此在智能材料實(shí)際應(yīng)用時(shí)，用單根光纖(保偏 光纖或者雙模光纖)中兩個(gè)不同的傳輸模分別作為信號(hào)通道和 參考通道，代替組成光纖干涉儀的兩根光纖，是解決上述問(wèn) 題的理想方案，并已取得

29、滿意效果。智能材料中使用保偏光 纖或雙模光纖的意義不僅是完成上述干涉測(cè)量，而且由于用 一根光纖代替兩根光纖，使埋人光纖根數(shù)減少一半，這對(duì)提 高復(fù)合材料強(qiáng)度和簡(jiǎn)化嵌埋工藝都是非常重要的。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 45 6 同心雙通光纖 同心雙通道光纖可同時(shí)檢測(cè)出智能材料外力沖擊的位 置和大小。 光纖由同軸雙層纖芯組成，中心是弱波導(dǎo)單模纖芯， 周圍是環(huán)狀大數(shù)值孔徑多模纖芯。當(dāng)光纖在復(fù)合材料中受 到擾動(dòng)時(shí)，光從弱波導(dǎo)單模纖芯泄漏到多模環(huán)形芯中。在 環(huán)形波導(dǎo)中，光的傳播速度與在單模芯中不同。在光纖檢 測(cè)端能收到兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)來(lái)自中芯，一個(gè)來(lái)自環(huán)形芯。 信號(hào)到達(dá)時(shí)間差確定了擾動(dòng)位置，環(huán)狀多模芯

30、中光的強(qiáng)度 確定了擾動(dòng)大小。這種光纖于80年代末期由美國(guó)布朗大學(xué) 開發(fā)成功并用于智能材料實(shí)驗(yàn)。最近兩年俄羅斯航空學(xué)院 詳細(xì)研究了這種光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響并對(duì) 傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 46 光纖傳感器在生活中的應(yīng)用 v1、在民用工程布局中的使用 民用工程的布局監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器最活躍 的范疇。力學(xué)參量的丈量關(guān)于橋梁、礦井、地道、 大壩、建筑物等的保護(hù)和情況監(jiān)測(cè)是非常重要的。 通過(guò)丈量上述布局的應(yīng)變散布，能夠預(yù)知布局有些 的載荷及情況。光纖光柵傳感器能夠貼在布局的表 面或預(yù)先埋入布局中，對(duì)布局一起進(jìn)行沖擊檢測(cè)、 形狀操控和振蕩阻尼檢 測(cè)等，以監(jiān)視布局

31、的缺點(diǎn)情 況。別的，多個(gè)光纖光柵傳感器能夠串接成一個(gè)傳 感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)布局進(jìn)行準(zhǔn)散布式檢測(cè)，能夠用計(jì)算機(jī) 對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)途操控。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 47 光纖傳感器在溫度測(cè)驗(yàn)中的使用 它是使用光在光纖中傳輸能夠發(fā)作后向散射， 在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，那么它 在光纖中傳輸?shù)囊黄鸩粩喟l(fā)作后向散射光波，這些 后向散射光波的情況受到地點(diǎn)光纖散射點(diǎn)的溫度影 響而有所改動(dòng)，將散射回來(lái)的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢 測(cè)解調(diào)后，送入信號(hào)處置體系便可將溫度信號(hào)實(shí)時(shí) 顯示出來(lái)，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光 回波的時(shí)刻對(duì)這些信息定位 熱電偶測(cè)溫最高1600多度，藍(lán)寶石測(cè)溫可達(dá)2000多度。

32、第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 48 光纖傳感器在裂縫監(jiān)測(cè)中的使用 當(dāng)?shù)叵律畈堪l(fā)作變形時(shí)，必將揉捏砂漿 體發(fā)作相應(yīng)形變，致使裂縫或滑移（錯(cuò)動(dòng)） 的發(fā)作，進(jìn)而導(dǎo)致埋入光纖的微彎，該處的 微彎將損壞光波導(dǎo)的全反射條件，使光損耗 添加，發(fā)作衰減，使用光纖監(jiān)測(cè)地下深部變 形，即是基于微彎衰減的傳感機(jī)制。 埋入洞內(nèi)的光纖，全部是傳感有些，受 深部變形作用，光纖發(fā)作微彎或撓曲，致使 光損耗增大 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 49 光纖傳感器在光纖光纜中的使用 光纜通訊在我國(guó)已有20多年的使用史，這段前 史也即是光通訊技能的發(fā)展史和光纖光纜的發(fā)展史。 光纖光纜在我國(guó)的發(fā)展能夠分為這樣幾個(gè)階段：對(duì) 光纜

33、可用性的討論；替代市內(nèi)局間中繼線的市話電 纜和PCM電纜；替代有線通訊干線上的高頻對(duì)稱電 纜和同軸電纜。這兩個(gè)替代應(yīng)該說(shuō)是完成了；現(xiàn)正 在替代接入網(wǎng)的主干線和配線的市話主干電纜和配 線電纜，并正在進(jìn)入局域網(wǎng)和室內(nèi)歸納布線體系。 當(dāng)前，光纖光纜已經(jīng)進(jìn)入了有線通訊的各個(gè)范疇， 包括郵電通訊、播送通訊、電力通訊和軍用通訊等 范疇。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 50 光纖傳感器在智能大橋中的使用 它是將傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件以及信息處置操控 體系集成于主體材猜中 ,使制成的構(gòu)件不僅具有承 受載荷、傳遞運(yùn)動(dòng)的能力 ,而且具有檢測(cè)多種參數(shù) (如應(yīng)力、應(yīng)變、損傷、溫度、壓力等 )、剖析、處 置及操控等多種

34、功用。它出現(xiàn)時(shí)刻不長(zhǎng) ,但已成為 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱門。具有智能資料布局特點(diǎn)的 智能橋梁能對(duì)智能資料布局的動(dòng)作流程圖橋梁的施 工質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)力情況以及其它多種參數(shù)進(jìn)行 長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè) ,并依據(jù)對(duì)大量傳感信息的實(shí) 時(shí)歸納剖析采取恰當(dāng)、及時(shí)的操控措施 ,因而能夠 極大地提高工程布局的安全性和可靠性 ,避免災(zāi)難 性事故的發(fā)作。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 51 v2、在電力工業(yè)中的使用 光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)攪擾和可 完成長(zhǎng)距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè) 使用的選擇。電線的載重量、變壓器繞線的 溫度、大電流等都可使用光纖光柵傳感器丈 量。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 52

35、v3、在醫(yī)學(xué)中的使用 光纖光柵傳感器還可用來(lái)丈量心臟的效 率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的 熱稀釋導(dǎo)管刺進(jìn)患者心臟的右心房，并注射 人一種冷溶液，可丈量肺動(dòng)脈血液的溫度， 結(jié)合脈功率就可曉得心臟的血液輸出量，這 關(guān)于心臟監(jiān)測(cè)是非常重要的。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 53 v4、在航天器及船只中的使用 先進(jìn)的復(fù)合資料抗疲勞、抗腐蝕功用較 好，而且能夠減輕船體或航天器的重量，關(guān) 于疾速航運(yùn)或飛翔具有重要意義，因而復(fù)合 資料越來(lái)越多地被用于制作航空帆海東西(如 飛機(jī)的機(jī)翼)。 為全面衡量船體的情況，需求 曉得其不一樣部位的變形力矩、剪切壓力、 甲板所受的打擊力，關(guān)于一般船體大概需求 1

36、00個(gè)傳感器，因而波長(zhǎng)復(fù)用能力極強(qiáng) 的光 纖光柵傳感器最適合于船體檢測(cè)。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 54 v5、在化學(xué)傳感中的使用 光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因?yàn)?光柵的中心波長(zhǎng)隨折射率的改變而改變，而 光柵間倏sh逝波（指由于全反射而在兩種 不同介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生的一種電磁波 ）的 相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度改變 都會(huì)導(dǎo)致折射率的改變。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 謝謝！ 55 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 56 v微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷 裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED

37、）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光 纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖 。 v在日常生活中為什么光纖被用作長(zhǎng)距離的信息傳遞？ v通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì)被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須 由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外 層的保護(hù)層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對(duì)光纖的傷害，如水、 火、電擊等。 光纜分為：纜皮、芳綸絲、緩沖層和光纖。 光纖：同軸電纜相似，只是沒(méi)有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播 的玻璃芯。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 57 裝有智能蒙皮的戰(zhàn)斗機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)用于武器裝備外殼的先進(jìn)復(fù)合材料加工成型過(guò)程中隨時(shí)監(jiān) 測(cè)熱壓成型工藝中復(fù)合材料的溫度和固化程度，提高了材料使 用的可靠度，并可避免安全設(shè)計(jì)余量過(guò)大而造成的浪費(fèi)和整機(jī) 質(zhì)量的增加，這一直是航空設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難題； (2)起飛前自動(dòng)進(jìn)行