光纖振動(dòng)傳感器

引言2070年月美國(guó)Corning公司制造出第一根低損耗光纖至今，光纖通絡(luò)監(jiān)測(cè)之后，近年來(lái)正大踏步地走向產(chǎn)業(yè)騰飛之路。提高的要求，很多型的傳感器件和方法被不斷研制出來(lái)。連續(xù)高精度定位傳感，具備寬闊的應(yīng)用前景。光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介光纖傳感器的歷史可追溯到上世紀(jì)70年月，那時(shí)，人們開(kāi)頭意識(shí)到光纖不損、信號(hào)處理方面有了很大的提高，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也越加寬闊。光纖傳感器的應(yīng)用力。傳感器或加強(qiáng)性光纖分散物在飛機(jī)場(chǎng)用干預(yù)型光纖震驚傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)交通[1][2]。在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電的的是會(huì)引起安全事故[3]。因此，爭(zhēng)論和開(kāi)發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安嚴(yán)峻，臨床檢驗(yàn)、食品安全檢測(cè)[4]手段比較落后，光纖傳感器在這些領(lǐng)域具海水監(jiān)測(cè)、生化技術(shù)、醫(yī)藥。光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展(如的影響．組成光纖傳感器各局部元件的本身性能對(duì)測(cè)量精度的影響等)。認(rèn)真爭(zhēng)論光纖傳感器的各組成局部元器件的性能(有效抑制光源波動(dòng)、減小光纖傳輸損耗)，特別是進(jìn)一步改進(jìn)敏感元件的制作工藝及構(gòu)造、探究的敏感機(jī)理，充分感器陣列及特別測(cè)量要求的型光纖傳感器是今后的爭(zhēng)論進(jìn)展趨勢(shì)。光纖傳感器的進(jìn)展趨勢(shì)有如下幾個(gè)方面：(外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化)在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾光器或光纖激光器、光纖濾波器、光纖波分復(fù)用器，以及用于應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參量檢測(cè)的光纖傳感器和各種(簡(jiǎn)潔或簡(jiǎn)單的)光纖傳感網(wǎng)。目前已有承受光纖光柵測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等參量以及構(gòu)成光纖生物、化學(xué)傳感器的很多報(bào)道，主要內(nèi)容是如何提高靈敏度，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。提高靈敏度的途徑，包括轉(zhuǎn)變包層材料，傳感網(wǎng)也是目前爭(zhēng)論熱點(diǎn)之一。一種型傳感器，它可給出大空間里溫度或應(yīng)力等參量的分布值。例如，一個(gè)內(nèi)每一點(diǎn)(5m)的溫度值(例如光波的頻移)給出被測(cè)量的所在空間位置。感元件和驅(qū)動(dòng)元件埋入其中，傳感元件可對(duì)構(gòu)造的狀態(tài)參數(shù)(如應(yīng)變、溫度、損傷程度等)進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量；驅(qū)動(dòng)元件可對(duì)構(gòu)造狀態(tài)作必要的調(diào)整或掌握，可保證構(gòu)造安全運(yùn)行并工作在最正確狀態(tài)。由于這種構(gòu)造具有肯定的“智能“，故稱為智本論文爭(zhēng)論的主要內(nèi)容1、 光纖傳感器的特點(diǎn)和工作原理2、 光纖振動(dòng)傳感器的根本原理；3、 設(shè)計(jì)光纖振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)聲音頻譜范圍振動(dòng)的測(cè)試。振動(dòng)傳感測(cè)量技術(shù)爭(zhēng)論現(xiàn)狀二十世紀(jì)初，爭(zhēng)論者們就開(kāi)頭對(duì)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)展探究爭(zhēng)論。在他們不斷的態(tài)測(cè)量，振動(dòng)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)測(cè)型。電氣式和光學(xué)式三類。用于測(cè)量低頻、大振幅振動(dòng)。電氣式測(cè)量方法目前應(yīng)用較為廣泛，它是用電量測(cè)試儀來(lái)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)。測(cè)量精度高、頻帶寬，響應(yīng)速度快、抗干擾力量強(qiáng)、遠(yuǎn)距離測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)展。這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面問(wèn)：量較小、內(nèi)阻較高且靈敏度很低。低。蔽或抑制的作用，并且測(cè)量頻率范圍較窄。有振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的缺陷是振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題?？闺姶鸥蓴_力量強(qiáng)、適合各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛重視。其次章光纖的根本特征1970年華裔科學(xué)家高餛博士提出了損耗很低的光導(dǎo)纖維的概念以及美國(guó)貝爾試驗(yàn)室指出了可在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器，開(kāi)創(chuàng)了光通信技術(shù)的先作用。隨著光學(xué)器件的不斷進(jìn)展，誕生出滿足各種需要的光纖。2.1光纖構(gòu)造和種類：由其構(gòu)造和材料打算。光纖的的根本構(gòu)造是兩層圓柱壯媒質(zhì)，內(nèi)層是纖芯，外層是包層。最內(nèi)層的是起保護(hù)作用的外套。通常是將多根光纖扎成束并裹以保護(hù)層制成多芯光纜。圖一光纖構(gòu)造續(xù)的場(chǎng)解稱為模式。光纖的分類方法有很多種。稱為單模光纖，能同時(shí)傳輸多種模式的光纖稱為多模光纖。率是按肯定的函數(shù)關(guān)系隨光纖中心徑向距離而變化的。差異是前者不能傳輸偏振光，而后者可以。按制造的材料分，光纖有〔1〕高純度熔石英光纖，其特點(diǎn)是材料的光傳輸0.2dB/k1dB/k〔2〕多組分玻璃纖維，其特點(diǎn)是芯-包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，因而有利于制造大數(shù)值孔徑的光纖，但材料損耗大，在可見(jiàn)光波段一般為1dB/m〔3〕低，缺點(diǎn)是材料損耗大，溫度性能較差〔4〕1~5um〕或中紅外~10um〕〔5〕液芯光纖，特點(diǎn)是纖芯為液體，因而可滿足特別需要〔6〕無(wú)源光纖器件。2.2第三章光纖傳感器的特點(diǎn)和工作原理光纖傳感器的特點(diǎn)近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向進(jìn)展。人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū))，或者對(duì)人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、固有的安全性好、抗電磁干擾、高絕緣強(qiáng)度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、溫度等70多個(gè)物理量的測(cè)量并且在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)掌握、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警等方面有廣泛的應(yīng)用前景。總體來(lái)說(shuō)光纖傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，概括如下：高靈敏度：例如目前用的馬赫一澤德光纖干預(yù)儀能檢測(cè)0.1rad的相位1Pm，相當(dāng)于1011m光程差。即承受干預(yù)型光纖傳感器可測(cè)格外小的物理量。以上，因此在多芯光纜中纖芯間具有良好的抗電磁串音性能。的惡劣環(huán)境。不存在漏電和電擊的危急。故近年來(lái)醫(yī)用光纖傳感器格外活潑。網(wǎng)，提高監(jiān)測(cè)水平。布式的光纖監(jiān)測(cè)。使用壽命長(zhǎng)：光纖的主要材料是石英玻璃(塑料光纖一般比較少見(jiàn))，外裹傳感器的腐蝕影響，從而提高使用壽命。輕細(xì)柔韌便于安裝埋設(shè)：光纖的這一特性，使它在埋入混凝土的過(guò)程中，生、軍事制導(dǎo)等領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用。光纖傳感器的工作原理被測(cè)參數(shù)的“傳”和“感”的功能，這是光纖傳感器的核心。在光通信系統(tǒng)中，光纖如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化，將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等的變化。因此，人們覺(jué)察假設(shè)能測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可傳播時(shí)表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)因外界因素(如溫度、壓力、應(yīng)變、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等)的作用而直接或間接發(fā)生變化，從而2是光纖傳感器的原理構(gòu)造圖。光纖傳感器通常由光源、傳輸光纖、傳感元件或調(diào)制區(qū)、光檢測(cè)等局部組成。光強(qiáng)、波長(zhǎng)、振幅、相位、偏振態(tài)和模式分布等參量在光纖傳輸中都可能會(huì)受外界影響而發(fā)生轉(zhuǎn)變，特別如溫度、壓力、加速度、電壓、電流、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、理量的大小。2光纖傳感原理簡(jiǎn)圖光纖傳感器的分類：70余種【5從而得到被測(cè)物理量。光纖傳感器按其作用不同可分為兩種類型：一類是功能型(傳感型)傳感器；另一類是非功能型(傳光型)傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)展解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。光纖在其中不僅是導(dǎo)光纖水聽(tīng)器等。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。有用化的大都是非功能型的光纖傳感器。制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)(顏色)調(diào)制光纖傳感器。光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。Sagnac效應(yīng)的旋現(xiàn)一些物理量的測(cè)量可以獲得極高的靈敏度。其開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有一百多年的歷度、聲波和振動(dòng)的影響，使干預(yù)測(cè)量不穩(wěn)定、準(zhǔn)確度低，同時(shí)調(diào)整也較困難，所光纖干預(yù)儀有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是削減了干預(yù)儀的長(zhǎng)臂安裝和校準(zhǔn)的固有困排解相干光在空氣中傳播帶來(lái)的空氣擾動(dòng)及聲波的干擾而引起的空氣中光程的光纖應(yīng)變傳感器、光纖電流傳感器、光聲氣體光纖傳感器和位移光纖傳感器等。錐形光纖的構(gòu)造和纖芯的直徑之比保持恒定。這里爭(zhēng)論的是后者的錐形光纖。本論文中所用的錐形光纖是通過(guò)對(duì)一般單模階躍石英光纖進(jìn)展拉錐制造而光纖的分析方法。圖1錐形光纖的幾何剖面圖錐形光纖的幾何剖面圖如圖1所示。其中l(wèi)Aa是光纖錐的粗端半徑，b是尖端半徑。通過(guò)簡(jiǎn)潔計(jì)算可得錐形光纖幾何參數(shù)之間的關(guān)系:arctanab 〔1〕l其它參數(shù)已經(jīng)設(shè)定的狀況下，尖端直徑越大，A越大;光纖的錐形過(guò)渡區(qū)l值越小相對(duì)的錐角A就越大，錐形變化也就越鋒利。在試驗(yàn)中用自制的熱拉伸裝置把光纖側(cè)面拉成直錐形，錐形光纖頂端錐體的角度及其變化愈大愈光滑，錐形過(guò)渡區(qū)越短，傳輸效率就越高。錐形光纖的特性錐形光纖因其特有的構(gòu)造，在進(jìn)展光的傳輸以及與LD等光源或其他器件耦錐形光纖的傳輸損耗的反射次數(shù)n和每次反射所引起的傳輸損耗k分別為：ABn 1AB

1 〔2〕dctank10lg 〔3〕為光纖內(nèi)反射膜的反射率。可見(jiàn)，單位長(zhǎng)度上的反射次數(shù)越多，激光能量的損耗就越多。圖2是激光光束在圓柱形光纖中傳播時(shí)的示意圖。圖2 光纖中的傳播光在錐形光纖中傳播時(shí)的示意圖如圖3所示圖3 光在光纖錐中的傳播示意圖假定錐形光纖的錐度夾角為2，激光光束的入射角為，激光在第一和其次x

，其次和第三次之間反射所傳輸?shù)木嚯x為1xx2

......xn

xx1 2

x......x3

。激光在單位長(zhǎng)度的錐形光纖中的反射次數(shù)[3]為：n1x1

tan(2)tand

(4)把式(4)與式(2)相比較可以看出，激光在錐形光纖中的反射次數(shù)少于在圓柱另外，激光在圓柱光纖中反射時(shí)每次反射的入射角不變，而在錐形光纖中第n次反射時(shí)的入射角為： n 2

[(2n1)] 〔5〕入射角隨反射次數(shù)的增加而增大，反射率也漸漸增大。從以上看出，錐形光纖在傳輸激光能量時(shí)，既可以削減激光光束在光纖中的纖。圖4 單模錐形光纖構(gòu)造示意圖應(yīng)用光纖水聽(tīng)器價(jià)值。光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)根底上的水下聲信號(hào)傳感器，它潛力。光纖水聽(tīng)器按原理可分為干預(yù)型，強(qiáng)度型，光柵型等。干預(yù)型光纖水聽(tīng)器關(guān)位衰落技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)以及工程技術(shù)等。聽(tīng)器，依據(jù)光纖微彎損致使水中聲壓