光纤微弯传感器.ppt

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1、组长：伍硕果组员：曾祁泽刘杰张浩陈镇钦邵琳峰光纤微弯传感器光纤微弯传感器临近周期的光线理论推导非子午光线下的推导子午光线下的推导微弯损耗系数推导推导组成、优缺点光纤微弯传感器介绍圆柱形光纤微弯传感器设计光纤微弯传感器介绍光纤传感器的优点：具有电绝缘性能好、不受电磁干扰、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。光纤微弯传感器提出：J．N．Fields和J．H．Cole首次提出光纤微弯传感器原理。最早用于美国海军研究所研制的光纤系统中。光纤微弯传感器原理原理：利用

2、光纤中传播的高阶模内全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面逸出，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。组成：由变形器和敏感光纤构成。敏感光纤则从齿形中间穿过，在齿形板的作用下产生周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化，从而导致输出光功率的改变，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。优点：构造简单、成本低廉、便于装备。缺点：因需要检测分布在平面或者曲面上的很多点，其多个变形器的埋入会对构件的强度产生影响，同时也不利于实现分布式连续传感；而且变形齿极易使传感

3、光纤损坏；当构件的变形量较大时，光纤的变形无法与之匹配，故难以在实际工程上应用。同时夹板固定。面积大，精度不可调的缺点也尤其突出。微弯损耗系数推导（子午光线）光纤微弯损耗的射线理论：当光纤的芯径比光波的波长大很多的时候，可以把光波近似为光线，因此我们可以用几何光学的方法来分析光在光纤中传播的情况。子午光线：过光纤轴线的平面称为子午面，在子午平面上传播的光纤称为子午光线，由反射定律可以知道，入射光线、反射光线、法线均在同一平面内。微弯损耗系数推导（子午光线）可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，但耦合

4、理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确。而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了。具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证。设光纤纤芯直径为2a,纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，弯曲半径为R(OD);设光线P在B点处进入弯曲部分，B点离纤芯底部D点的高度为h。光线P在弯曲部分M界面的入射角为θ;微弯损耗系数推导（子午光线）可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确。而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了。具体哪个更趋近于真实值尚需进

5、行实验验证。在三角形BOC中，根据正弦定理：整理得到：要使光纤能在弯曲部分传播，需要满足全反射条件微弯损耗系数推导（子午光线）可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确。而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了。具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证。将θ的表达式代入全反射条件得：当入射光的h小于极值时，光线不再满足全反射条件，光线会折射进入包层而迅速被消耗掉。微弯损耗系数推导（子午光线）可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临

6、界周期相比在很大程度上相符，但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确。而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了。具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证。假设光强分布在光线未弯曲部分为勃朗体，在ϕ→ϕ+dϕ内，光通量：不能在光纤弯曲部分传输的光通量为：总光通量：（为光线被光纤捕获并成为光线被光纤捕获并成为束缚光线的最大入射角为束缚光线的最大入射角）微弯损耗系数推导（子午光线）得到光纤的损耗系数如下：可以看出此时光纤损耗系数仅与光纤弯曲的曲率半径r有关。在matlab下，我们假设弱导光纤各项参数：线芯折射率：包层折射率：纤芯半径：并得到

7、曲率半径与损耗系数的关系如图：由图可知，子午光线微弯损耗系数与微弯半径成反比例关系，但当R增大到一定程度时，损耗系数变为负值，与实际并不相符——仅考虑子午光线并不足够。微弯损耗系数推导（非子午光线）对于弱导光纤，有,根据光纤在光纤中传播应满足全反射条件，故光纤在未弯曲部分近似看作沿直线传播。对于非子午光纤，由于不止在单一平面内传播，考虑建立三维坐标系，利用向量求解入射光的入射角。微弯损耗系数推导（非子午光线）光线P进入光纤后入射到弯曲光纤部分与纤芯壁相交于点A，过A点作弯曲光纤的横截面，交弯曲纤芯于B点。O点为未弯曲光纤与弯曲光纤交界面上纤芯的中心

8、点，过O点作直光纤的横截面，该横截面与光线P的交点为Q。以O点为中心建立直角坐标系,过o′o的直线为Y轴,直光纤纤芯轴为Z