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 華裔物理學家，為光纖通訊、 電機工程專家，華文媒體譽之為 “光纖之父”、普世譽之為“光 纖通訊之父”（Father of Fiber Optic Communications），曾任香港中文大學 校長。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獎。 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年諾貝爾獎物理學獎得主年諾貝爾獎物理學獎得主 Fig.1貝爾實驗室貝爾實驗室George Smith和和 Willard Boyle將可視電話和半導

2、體將可視電話和半導體 存儲技術(shù)結(jié)合發(fā)明了存儲技術(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 中國工程院院士，國際電氣電子工程 師協(xié)會高級會員，他是我國光纖通信 技術(shù)的主要奠基人和公認的開拓者， 被譽為“中國光纖之父” 。 武漢中國光谷的首席科學家，因為親手研發(fā)了 中國第一根實用化光纖光纜和第一套光纖通信 系統(tǒng)，而被譽為“中國光纖之父”。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 4 什么是光纖？ 光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料 制成的纖維，可作為光傳導工具。 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，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全反射的應用：光導纖維和液晶背光 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 心傳播時遇到光纖彎曲處，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，而 保證光線不會泄漏到光纖外。 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微細的光纖封裝在塑料護套中，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脈沖 。 v在日常生活中為什么光纖被用作長距離的信息傳遞？ v通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須 由幾層保護結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外 層的保護層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對光纖的傷害，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)的粗細相當。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 保護包層。光纖通常被扎成束，外面有外殼 保護。 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： 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特點，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 衡器進行均衡；二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔心因 環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動。 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，安裝十分方便。 v抗干擾能力強：因為光纖的基本成分是石英，只傳光，不導 電，不受電磁場的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶艌龅?影響，故光纖傳輸對電磁干擾有很強的抵御能力。光纖中傳 輸?shù)?/p>

7、信號不易被竊聽，利于保密。 v保真度高：因為光纖傳輸一般不需要中繼放大，不會因為放 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)來源十分豐富， 隨著技術(shù)的進步，成本還會進一步降低 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 11 光纖的應用 通信應用 利用光導纖維進行的通信叫光纖通信。一對金屬電話 線至多只能同時傳送一千多路電話，而根據(jù)理論算， 一對細如蛛絲的光導纖維可以同時通一百億路電話！ 鋪設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)學應用 光導纖維內(nèi)窺鏡可導入心臟和腦室，測量心臟中的血 壓、血液中氧的飽和度、體溫等。用光導纖維連接的

8、激光手術(shù)刀已在臨床應用，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 傳感器應用 光導纖維可以把陽光送到各個角落，還可以進行機械 加工。計算機、機器人、汽車配電盤等也已成功地用 光導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用。 藝術(shù)應用 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 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)與應用1,2,3 對什么是光纖有更深的了解了嗎？

9、 到此光纖的基本知識介紹完畢。 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個階段） 1.把光纖埋入先進復合材料，用來監(jiān)測復合材料的應變及溫 度。目的是用光纖完成多種參數(shù)測量和信號傳輸，解決的主 要問題是光纖、光纖傳感器和復合材料類型選擇與設計、光 纖和復合材料相容性研究、光纖埋入工藝探索等。 2.大量開展了用光纖傳感器監(jiān)測復合材料固化、材料承載后 動態(tài)性能測試和材料損傷評估等關鍵技術(shù)項目的基礎研究。 其工程和學術(shù)上的價值在于：促進了先進復合材料，如碳 纖維或有機纖維加強的樹脂基復合材料在結(jié)構(gòu)件中的實際應 用；光纖傳感技

10、術(shù)和先進復合材料成功地結(jié)合，為發(fā)展智 能材料奠定了技術(shù)基礎。 3. 90年代初，光纖智能蒙皮完成關鍵技術(shù)研制和飛行性能評 估，進入應用研究階段。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 15 飛機裝配光纖智能蒙皮部位示意圖（深色部位）飛機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)斗機具有如下優(yōu)點： (1)用于武器裝備外殼的先進復合材料加工成型過程中隨時監(jiān) 測熱壓成型工藝中復合材料的溫度和固化程度，提高了材料使 用的可靠度，并可避免安全設計余量過大而造成的浪費和整機 質(zhì)量的增加，這一直是航空設計領域的難題；

11、(2)起飛前自動進行機身構(gòu)件及蒙皮的非損傷評估，預測飛行 可能性； (3)在飛行過程中，實時、自動分布監(jiān)測機身和機翼的空氣動 力學參數(shù)、所受應力及溫度變化； (4)在戰(zhàn)斗過程中，實時監(jiān)測飛行負載環(huán)境及損傷的形成，評 價戰(zhàn)斗損傷，計算剩余實力，存貯相關數(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 水泥預制件，核反應堆、火箭發(fā)射臺的基座，航天飛行器、 陸地戰(zhàn)車和潛艇

12、的框架等)。它可測量結(jié)構(gòu)的載荷大小、 振動幅度、溫度和應力分布、應變、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 害預測等軍用及民用大型設施。 2.智能蒙皮： 智能蒙皮則用于機翼、潛艇外殼、推進器葉片等。它除 具有智能結(jié)構(gòu)的性能外，與內(nèi)部執(zhí)行器配合，還可自動檢 測和控制殼體振動、流體與表面引起的噪音，自動檢測和 調(diào)節(jié)材料的多種性能(如反光性能、反輻射性能、電或熱 導性能、通風滲透性能等)，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)絡和執(zhí)行器(驅(qū)動)系統(tǒng)組成。對傳感器的 選擇應滿足如下基本要求。 (1)滿足強度相容要求； (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 先進復合材料中埋入光纖傳感陣列取得成功，正是因為它 們基本符合上述傳感介質(zhì)與基體材料的相容關系。 對復合材料來說，其纖維增強組分和分層結(jié)構(gòu)適合光纖的 埋入。對光纖來說，它更具有其他類型傳感介質(zhì)無可比擬的 優(yōu)點。光導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，可以使光的傳輸強度、偏 振、相位或波長受到待測物理量的調(diào)制，被調(diào)制后的信號仍 在光纖中傳播。省去了金屬導線，減少了電磁干擾。光纖作 為傳輸載體時直徑細小、質(zhì)量輕、易彎曲、耐高溫并便于埋 入復合材料。除此之外還具有抗電磁干擾、耐化學腐蝕、傳 輸帶寬較寬、用單根光纖可以進行波分復用和復用等優(yōu)點。 作為傳感介質(zhì)，用光纖組成的干涉型傳感器可測量溫度、壓 力、速度、流量、位移、電磁場等多種物理量并且有極高的 靈敏度。因此光纖已成為當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，但在具體應用中還有一些特殊要求。 1.細徑光纖 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械強度與可彎曲性。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 ，加上外保護涂層直徑為250um 。先進復合材料中 典型的加強碳纖維的直徑只有

17、10 um 。因此相對來說，光纖 顯得太粗，埋入復合材料后會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取向有關。 在其他條件相同的情況下，當光纖與碳纖維垂直走向時，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。復合材料受到外力作用時，在樹 脂富集區(qū)將發(fā)生應力集中，應力值可能比均勻復合區(qū)高出一 個數(shù)量級，造成復合材料強度下降。 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 一般來說，埋入復合材料作傳感系統(tǒng)使用的光纖， 要求外徑尺寸與復合材料的層間厚度相近。 制造細徑光纖可以采用兩種方法。對小長度光纖 (幾米至上百米)一般用腐蝕法制造。如果用量較大，應 在光纖拉絲工藝中加以控制。 除光纖直徑以外，光纖在復合材料中相對于加強 纖維（如碳纖維）的走向及埋入深度（埋在第幾層之 間），對復合材料強度及檢測靈敏度有顯著影響。但 這種影響又與光纖直徑、涂層材料、復合材料基體和 測量的量等多種因素有關。因此針對不同使用要求， 應做出權(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)光纖夾在加強纖維的兩直排層間并與加強纖維平行， 對復合材料沿此方向的拉伸強度的影響可以忽略不計。這 種結(jié)構(gòu)適于測量復合材料的溫度和應變。 (2)用于檢測斷裂臨界負載造成的損傷時，光纖應埋在靠 近最大應變的表層，并與上、下直排加強纖維正交，如圖 3-3中，這樣可獲得最大靈敏度。 (3)光纖外徑小于復合材料層間厚度(120um140um ) 時材 料的拉伸強度下降較小，不影響大多數(shù)情況下使用。 (4)埋入光纖根數(shù)對強度有一定影響。 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 光纖與加強纖維的各種取向 光纖埋入

20、復合材料剖面圖 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合材料時，光纖涂層應具有 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合材料中 與基體材料的耦聯(lián)性差，不能有效地將應變耦合給光纖，因 而影響應力測量靈敏度。初期的實驗曾使用裸光纖，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合材料成型工藝要求的。 由于使用的樹脂不同，復合材料的熱壓成型工藝一般在 150390下進行。實驗表明，如果在復合材料中埋人丙 烯酸涂層光纖，當復合

21、材料溫度為160時，由于涂層性能下 降，導致復合材料的層間剪切強度下降8，縱向壓縮強度下 降26；而高于175時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解決上述兩個問題。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，長期使用溫度可達300350，短 期可經(jīng)受450500高溫，200以下工作壽命超過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 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，滿足埋人復合材料加熱成型的 工

22、藝要求和應力耦合的必要條件。但常用的鋁涂層光纖埋人復 合材料后，由于鋁的氧化層與樹脂親合力差，影響了它的實際 使用。當前金屬涂層光纖用于樹脂基和水泥基智能材料的研究 工作正在進行，研究的重點是尋找適當?shù)慕饘偻繉?。它應與樹 脂有較強的親合力或能抗水泥堿性的腐蝕，同時還要滿足涂覆 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 影響硅基光纖長期可靠性的兩個重要因素是由靜態(tài)疲勞 引起的光纖強度衰減和滲氫引起的光纖損耗增加。在光纖 的制作過程中，光纖表面不可避免地會產(chǎn)生某些微裂紋和 微缺陷，在使用過程中，如成纜、敷設造成的彎曲和應力， 引起光纖微裂紋末端應力集中，使

23、光纖強度下降。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 產(chǎn)生應力腐蝕現(xiàn)象，使微裂紋擴展。 埋入智能材料的光纖多用于測量應力和溫度，因此經(jīng)常 處在應力狀態(tài)中。此外，隨溫度的變化復合材料的有機樹 脂也會產(chǎn)生少量的氫氣。這些因素都會加速光纖的疲勞過 程，使已埋入復合材料的光纖的長期可靠性受到影響。解 決這問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)常受到應力 載荷或完成自適應功能 而變形的情況下，光纖 的長期可靠性和壽命尤 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 及圖像傳輸、海底光纜等場合也有 重要應用。 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偏振模傳輸。在理想狀態(tài)下，它們 應有相同的偏振狀態(tài)。但在實際中由于光纖幾何形狀不標準、 結(jié)構(gòu)不對稱、工藝中的殘余應力等原因，使偏振模的簡并退 化而形成兩個正交的偏振模。又由于外界溫度、應力、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)在空間和時間上是隨機變化的。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用。 單模保偏光纖具有在傳輸過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，使其遠遠超過上述各種因素的影響，可使被激勵的一個 偏振本征模的功率不會耦合到另一個正交模中去，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 模由兩個偏振方向相互垂直的本征模組成，這兩個模有 相同的強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 對一確定的

27、光纖，滿足上式的波長叫截止波長 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，當工 作波長 c c 時該模截止，只有基模LP0l傳輸 c 當 時，LP0l和LP11模同時傳輸，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。實際上雙模包 括了LP01、LP11O和LP11e中各自相互垂直的六個本征振模， 如圖所示。 LP11和LP01模的強度分布和偏振結(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。光纖干涉儀由信號光纖(信號臂)和參考光纖(參考臂)組成。 信號光纖受到外界待測場的擾動，感生了傳輸光束的相位變 化，與參考臂未受擾動的相位比較，通過相干光強度的變化 檢測出待測量。如果把干涉儀信號臂和參考臂都埋人復合材 料，參考臂光纖也受到與信號臂同樣的影響，產(chǎn)生同樣的相 位變化，就起不到參考作用，因而無法進行相干檢測。 保偏光纖或雙模光纖傳輸?shù)牟煌Ｊ?，隨外界環(huán)境變化將 產(chǎn)生相位差。因此在智能材料實際應用時，用單根光纖(保偏 光纖或者雙模光纖)中兩個不同的傳輸模分別作為信號通道和 參考通道，代替組成光纖干涉儀的兩根光纖，是解決上述問 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，這對提 高復合材料強度和簡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檢測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，中心是弱波導單模纖芯， 周圍是環(huán)狀大數(shù)值孔徑多模纖芯。當光纖在復合材料中受 到擾動時，光從弱波導單模纖芯泄漏到多模環(huán)形芯中。在 環(huán)形波導中，光的傳播速度與在單模芯中不同。在光纖檢 測端能收到兩個信號，一個來自中芯，一個來自環(huán)形芯。 信號到達時間差確定了擾動位置，環(huán)狀多模芯

30、中光的強度 確定了擾動大小。這種光纖于80年代末期由美國布朗大學 開發(fā)成功并用于智能材料實驗。最近兩年俄羅斯航空學院 詳細研究了這種光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)對檢測靈敏度的影響并對 傳感器結(jié)構(gòu)進行了改進。 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用 v1、在民用工程布局中的使用 民用工程的布局監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍 的范疇。力學參量的丈量關于橋梁、礦井、地道、 大壩、建筑物等的保護和情況監(jiān)測是非常重要的。 通過丈量上述布局的應變散布，能夠預知布局有些 的載荷及情況。光纖光柵傳感器能夠貼在布局的表 面或預先埋入布局中，對布局一起進行沖擊檢測、 形狀操控和振蕩阻尼檢 測等，以監(jiān)視布局

31、的缺點情 況。別的，多個光纖光柵傳感器能夠串接成一個傳 感網(wǎng)絡，對布局進行準散布式檢測，能夠用計算機 對傳感信號進行長途操控。 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驗中的使用 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光纖散射點的溫度影 響而有所改動，將散射回來的光波經(jīng)波分復用、檢 測解調(diào)后，送入信號處置體系便可將溫度信號實時 顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光 回波的時刻對這些信息定位 熱電偶測溫最高1600多度，藍寶石測溫可達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)測中的使用 當?shù)叵律畈堪l(fā)作變形時，必將揉捏砂漿 體發(fā)作相應形變，致使裂縫或滑移（錯動） 的發(fā)作，進而導致埋入光纖的微彎，該處的 微彎將損壞光波導的全反射條件，使光損耗 添加，發(fā)作衰減，使用光纖監(jiān)測地下深部變 形，即是基于微彎衰減的傳感機制。 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。 光纖光纜在我國的發(fā)展能夠分為這樣幾個階段：對 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稱電 纜和同軸電纜。這兩個替代應該說是完成了；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，并正在進入局域網(wǎng)和室內(nèi)歸納布線體系。 當前，光纖光纜已經(jīng)進入了有線通訊的各個范疇， 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、傳遞運動的能力 ,而且具有檢測多種參數(shù) (如應力、應變、損傷、溫度、壓力等 )、剖析、處 置及操控等多種

34、功用。它出現(xiàn)時刻不長 ,但已成為 當前國內(nèi)外研究的熱門。具有智能資料布局特點的 智能橋梁能對智能資料布局的動作流程圖橋梁的施 工質(zhì)量、運營中的應力情況以及其它多種參數(shù)進行 長時間實時在線監(jiān)測 ,并依據(jù)對大量傳感信息的實 時歸納剖析采取恰當、及時的操控措施 ,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攪擾和可 完成長距離低損耗傳輸，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)學中的使用 光纖光柵傳感器還可用來丈量心臟的效 率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的 熱稀釋導管刺進患者心臟的右心房，并注射 人一種冷溶液，可丈量肺動脈血液的溫度， 結(jié)合脈功率就可曉得心臟的血液輸出量，這 關于心臟監(jiān)測是非常重要的。 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 先進的復合資料抗疲勞、抗腐蝕功用較 好，而且能夠減輕船體或航天器的重量，關 于疾速航運或飛翔具有重要意義，因而復合 資料越來越多地被用于制作航空帆海東西(如 飛機的機翼)。 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，關于一般船體大概需求 1

36、00個傳感器，因而波長復用能力極強 的光 纖光柵傳感器最適合于船體檢測。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 54 v5、在化學傳感中的使用 光纖光柵傳感器可用于化學傳感，因為 光柵的中心波長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)境中的化學物質(zhì)的濃度改變 都會導致折射率的改變。 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微細的光纖封裝在塑料護套中，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脈沖 。 v在日常生活中為什么光纖被用作長距離的信息傳遞？ v通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須 由幾層保護結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外 層的保護層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對光纖的傷害，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)斗機具有如下優(yōu)點： (1)用于武器裝備外殼的先進復合材料加工成型過程中隨時監(jiān) 測熱壓成型工藝中復合材料的溫度和固化程度，提高了材料使 用的可靠度，并可避免安全設計余量過大而造成的浪費和整機 質(zhì)量的增加，這一直是航空設計領域的難題； (2)起飛前自動進行