1、光纤传感系统-材料系列讲座目录光纤及光纤传感系统简介 光纤传感器分类 常用的光纤传感器 光纤传感器应用进展3.1 简介 “光纤之父”的华人科学家高锟 l 年，高锟提出了用 玻璃代替铜线的大胆设想：利 用玻璃清澈、透明的性质，使 用光来传送信号。 l1967年7月，高锟博士在英国 发表了一篇论文，光频率的 介质纤维表面波导,指出可以 用玻璃作为光导纤维。 l1970，他发明了石英玻璃， 制造出世界上第一根光导纤维， 使科学界大为震惊。 “中国光纤之父”赵梓森 l1979年拉出我国第一根实用光纤， 被誉为中国光纤之父; l由他作技术带头人的武汉邮科院， 1982年建成了我国第一条光缆通信 工程，开
2、创我国光纤通信应用的历 史；l1995年当选为工程院院士1. 光纤导光的基本原理斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a) ，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为可见，入射角i增大时，折射角r也 随之增大，且始终ri。当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿 界面传播如图（b），称为临界状态。这时有sinrsin901 式中：i0临界角当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其 出射光不再折射而全部反射回来。2、光纤结构 3. 光纤传感系统1、光源：发出未调制的光信号， 耦合进
3、入光纤传输 2、光纤：将未调制光信号传输 进入调制区，与外界被测信号发 生相互作用进行调制（光强度、 波长、频率、相位、频谱分布 等），产生调制光信号，传输至 光探测器 3、探测器：对被调制的光信号 进行被测信号还原，获得被测参 数 光纤传感器两类工作方 式 o 一是由光纤本身受到环境 变化而使其中传输的光发 生变化，进而被传感器所 监测到变化信号； o 一是光射在被测物质上， 它们所发射或反射出来的 光波要么发生位置及强弱 变化，要么发生波长变化。电传感器与光纤传感器的区别 光纤传感器的特点1）综合特点 结构简单紧凑、结实耐用、维护 费低、可靠性高、性价比高 适合与数字系统连接； 应用领域广
4、（物理、化学和生物 学等参数的测量监控）； 发展非常快，百余种光纤传感器。2）使用特性方面的特点： p 电绝缘特性 p 光纤为非金属的石英电介质。因此，光纤传感器具有良好的 电绝缘性，特别适用于高压供电系统及大容量电机测试等场 合 p 抗电磁干扰特性： n 光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都 比较低 n 适用与高压大电流，强磁场噪声，强辐射等恶劣场合。o 非侵入特性： n 体积可非常小（略大于光纤的芯径），本身电绝缘， 因此对电磁场、速度场均为非侵入性，对被测量场不 产生干扰。 n 适用于弱电磁场、小管道内流速、流量等的监测。 o 高灵敏度 n 这是光信号测量的优点。可适用于
5、特定精密测量与控 制的场合。o 远距离监控特性 n 光纤的传输损耗非常小，与遥感技术相结合可实现远 距离监控。 n 目前，光纤的最低损耗已达0.2dB/km，甚至更低。 n 适用于工业生产过程自动控制，以及对核辐射、易燃、 易爆气体和大气污染监测体积小、重量轻 o 航空航天及军事领域:美国用光纤代替了A7飞机上的电缆，飞机 的重量减轻了12.25Kg。高性能的飞机每增加1磅（等于0.4536kg） 的重量，成本就要增加1万美元。12.25 Kg的重量可以节省大约 27万美元。 o 光纤通信在体积和重量上的优势：相同话路的光缆要比电缆轻 90%95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)
6、，而 直径不到电缆的五分之一。通2万1千话路的900对双绞线，其直 径为3英寸，重量为8 吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅 0.5英寸，重量仅450磅/公里。 资源丰富 p 现有的电话线和电缆是由铜和铅等金属制成的。地质调查表明， 世界上铜的储藏量并不多，据估计，按照现在的开采速度，世界 上的铜矿资源将在50年内开采完毕。 p 光纤的主要构成材料是石英（主要成分是二氧化硅），说得更通 俗一点就是随处可见的砂子，这种材料在地球上可以说是取之不 尽、用之不竭的。 p 用1公斤的高纯度的石英玻璃可以拉制上万公里的光纤，相比之 下，制造1公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜，或500公斤的 铅
7、。所以，用光缆取代电缆，可以节约大量的有色金属。光纤传感器分类 根据光纤作用的分类方式（一） n 第一类：外部光纤传感器，又称为非功能型或者传光型光纤传感器 o 光纤作用：光纤只起信号传递作用； o 特点：无需特殊光纤与技术，系统简单，成本与灵敏度低 第二类：内部光纤传感器，又称为功能型或者全光纤型传感器 o 光纤的作用：光纤同时起导光与敏感元件的双重作用； o 信号调制：在光纤内光信号受被测量调制； o 特点：结构紧凑、灵敏度高；需要特殊光纤和先进检测技术； o 代表性产品：光纤陀螺（航天技术）等n 第一类：强度调制型光纤传感器 o 原理：被测对象变化导致光纤折射率、吸收或反射等变化，最 后
8、导致光强度变化 o 测量对象：光纤微弯损耗（压力），吸收特性、振动膜或液晶 的反射光强度（温度、振动）、粒子射线或化学、机械激励而 发光（化学、气体、压力）等 o 优点：结构简单、容易实现、成本低； o 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等的影响较大n 第二类：偏振调制型光纤传感器 o 原理：被测对象导致光的偏振态变化, 传递被测对象的信 息 o 测量对象：光在处于电/磁场中介质传播的法拉第效应 （电、磁场信号），光在处于电场中压电晶体内传播的泡 克尔效应（电场、电压信号），物质的光弹性效应（压力、 振动、声信号），光纤双折射（温度、压力、振动） o 优点：灵敏度高，可避免光源强度变化的影响
9、n 第三类：相位调制型光纤传感器 o 原理：被测对象变化导致敏感元件的折射率或传播常数变化，导致光相位变化；再用干涉测量技术将相位变化转化为振幅变 化，还原成为被检测的物理量 o 光纤相位调制传感器： n 光弹效应的声、压力或振动传感器， n 磁致伸缩效应的电流或磁场传感器， n 电致伸缩效应的电场或电压传感器， n 萨格纳克效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等 o 优点：灵敏度很高， o 缺点：采用特殊光纤及高精度检测系统，成本较高n 第四类：频率调制型光纤传感器 o 原理：被测对象导致光频率变化，检测被测对象信息 o 测量对象：运动物体反射或散射光的多普勒效应的光纤速 度、流速、振动、压力
10、和加速度传感器，强光照射的拉曼 散射效应的气体浓度、大气污染监测传感器，光致发光的 温度传感器等 n 第五类：颜色调制型光纤传感器 o 原理：被测对象导致传感探头的光谱特性变化 o 测量对象：钴盐/稀土磷光体的热色效应（温度），化学 试剂变色（PH值）光纤传感系统发展 o 70年代末-80年代初 n NASA，美国国家航空航天局 n 研究内容：光纤埋入复合材料技术，参数测量与信号传 输 o 80年代中、后期 n 光纤传感器监测技术的基础性研究 n 研究内容：复合材料固化、承载材料的动态性能、材料 损伤评估等 n 结论：复合材料中埋入的光纤传感器/执行器是技术基础 最成熟、应用前景最广的一种智能
11、材料 o 90年代以后 n 光纤传感器的大规模应用推广 n 光纤智能蒙皮的实用化装有智能蒙皮的战斗机优点：(1)热压成型过程中，可随时监测复合材料的 温度和固化程度，提高了材料使用的可靠度； (2)起飞前自动进行机身构件及蒙皮的非损伤 评估，预测飞行的可能性； (3)在飞行过程中，实时、自动分布监测机身 和机翼的空气动力学参数、所受应力及温度变 化；(4)在战斗过程中，实时监测飞行负载环境及 损伤的形成，评价战斗损伤，计算剩余实力， 存贮相关数据，并向飞行员提供飞行限制： (5)着陆以后，智能蒙皮向地面人员提供积累 的飞行数据以及有关结构完整性和所需维修的 信息。o 智能结构是指大型智能构件(
12、如桥梁、建筑物、大坝的水泥预制 件，核反应堆、火箭发射台的基座，航天飞行器、陆地战车和潜 艇的框架等)。它可测量结构的载荷大小、振动幅度、温度和应 力分布、应变、扭曲、蠕变、层解、微裂及其他损伤，广泛用于 载荷引起的结构疲劳和地震灾害预测等军用及民用大型设施。 o 智能蒙皮则用于机翼、潜艇外壳、推进器叶片等。 它除具有智能结构的性能外，与内部执行器配合， 还可自动检测和控制壳体振动、流体与表面引起 的噪音，自动检测和调节材料的多种性能(如反 光性能、反辐射性能、电或热导性能、通风渗透 性能等)，或改变自身形状。智能材料中传感系统的选择 o 满足强度相容要求。埋入传感器后不应使原材料强度下降或下
13、降很小；传感器的测量动态范围(如应变、扭转、挠曲等)应 与基体材料的工作强度和外加载荷相匹配。 o 满足界面相容要求.埋入传感介质的表面应与基体材料有良好的亲合能 力;两者还应有近似的热膨胀系数,温度变化会使传感介 质和基体之间产生较大的剪切应力。 满足工艺相容要求。不给基体材料的生产工艺带来困难;传感介质本身 也能经受基体材料制作工艺中压力、温度、电场、真空 条件等的考验。 o 满足场分布相容要求。不影响基体材料内各种物理场(如应力场、电磁场、 振动模式等)的分布。 o 满足尺寸相容要求。足够小的体积，不能对基体材料组分和物理性能的 连续性产生影响。3.3 智能材料用特种光纤 光纤的特殊要求
14、: o 增强光纤与复合材料的相容性; o 提高测量的动态范围; o 扩展探测的物理量;增加检测手段; o 开辟新的功能; o 提高系统的可靠性.3.3.1 细径光纤 o 普通单模光纤的芯包层直径为9 125微米，多模光纤为50125微米， 加上外部保护层直径为250 微米。 o 先进复合材料中典型的加强碳纤维 的直径只有10微米。 o 树脂富集区的大小与光纤直径及光 纤与碳纤维相对取向有关。 o 当光纤与碳纤维垂直走向时，树脂 富集区最大。随两种纤维走向逐渐 平行，树脂富集区也随之减小。 o 复合材料受到外力作用时，在树脂 富集区将发生应力集中，造成复合 材料强度下降英同AEA技术公司 Har
15、well实验室把 包层直径为80um 300um、相应涂层 外径为93um500 um的光纤埋入1mm 厚、8层Fiberdux 914C碳纤维环 氧树脂复合材料中 进行了强度实验。结果表明：标准125/250um丙烯酸脂涂层光纤使复合材料强度下降16；80100um 光纤使复合材料强度下降4；8093um光纤引起复合材料强度下降小于2。一般 来说，埋入复合材料作传感系统使用的光纤，要求外径尺寸与复合材料的层间厚度 相近。日前研制出的最细光纤直径为35um一40um。光纤直径再细会使传输损耗明显 增加。(1) 与加强纤维平行，对复合材料沿此方 向的拉伸强度的影响可以忽略不计。这种 结构适于测量
16、复合材料的温度和应变。 (2)用于检测断裂临界负载造成的损伤时， 光纤应埋在靠近最大应变的表层，并与上、 下直排加强纤维正交，这样可获得最大灵 敏度。 (3)光纤外径小于复合材料层间厚度(120 um140um)时，材料的拉伸强度下降较小， 不影响大多数情况下使用。 (4)埋入光纤根数对强度影响不大。 实验表明，埋入33根光纤，复合材料的拉 伸强度最多下降4。压缩强度下降：6根 光纤为1，9根光纤为5，33根光纤为24 。3.3.2 特殊涂覆光纤 o 光纤涂层: 较高的弹性模量和良好的耐高温性能 o 常用的紫外固化丙烯酸类涂层对光纤的附着力较差，而且固化后 仍有明显的塑性。这种一次被覆光纤在复
17、合材料中与基体材料的 耦联性差，不能有效地将应变耦合给光纤，因而影响应力测量灵 敏度。 o 初期的实验曾使用裸光纤，光纤表面虽具有很好的刚性，但很脆， 不能在恶劣环境下使用。o 光纤涂层的耐高温特性主要是复合材料成型工艺要求的。 o 由于使用的树脂不同，复合材料的热压成型工艺一般在150一 390下进行。 o 实验表明，如果在复合材料中埋入丙烯酸涂层光纤，当复合材料 温度为160时，由于涂层性能下降，导致复合材料的层间剪切 强度下降8，纵向压缩强度下降26，而高于175时丙烯酸涂 层根本不能使用。o 聚酰亚胺涂层光纤可同时解决上述两个问题。 o 聚酰亚胺类树脂是美国杜邦(Dupont)公司于6
18、0年代初开发的耐高 温聚合物.30多年来共推出200多种系列产品，如热固性聚酰亚胺 (PI)、聚酰胺酰亚胺(PAl)、聚醚酰亚胺(PEI)、双马来酰亚胺 (BMI)等。 o 其户PI已被正式用于高性能光纤涂层，它固化后有足够的刚性， 长期使用温度可达300一350，短期可经受450一500高温， 200以下工作寿命超过50 000h，因此聚酰亚胺涂层光纤是智能 材料与结构中使用的惟一理想实用光纤。o 热解质量分析是评价材料 耐热性能的一种有效的传 统测量手段，即在加热过 程中测量不同温度下材料 的质量变化。 o 在升温过程中，随材料中 水分逐渐蒸发，易挥发物 质不断析出以至碳化，导 致材料质量
19、不断下降。从 图中可以看出，一直到 400，聚酰亚胺质量仍保 持不变，因而具有良好的 热稳定性。 o 金属涂层光纤也是特殊涂覆光纤的重要品种,金属涂层一般都具 备耐高温和刚性好的特性，满足埋入复合材料加热成型的工艺要 求和应力耦合的必要条件。 o 但常用的铝涂层光纤埋入复合材料后，由于铝的氧化层与树脂亲 合力差，影响了它的实际使用。 o 当前金属涂层光纤用于树脂基和水泥基智能材料的研究工作正在 进行，研究的重点是寻找适当的金属涂层。它应与树脂有较强的 亲合力或能抗水泥碱性的腐蚀，同时还要满足涂覆工艺方便、成 本低廉的要求。3.3.3 抗疲劳光纤 o 影呐硅基光纤长期可靠性的两个重要因素是由静态
20、疲劳引起的光 纤强度衰减和渗氢引起的光纤损耗增加。 o 光纤基质二氧化硅的理论抗拉强度约为18GPa，但光纤的实际断 裂强度远远低于这一数值. l 原因是在光纤的制作过程中，光纤表面不可避免地会产生某些微裂纹和微缺 陷，在使用过程中，如成缆、敷设造成的弯曲和应力，引起光纤微裂纹末端 应力集中，使光纤强度下降。 l 即使光纤在存放状态下，由于环境中微量氢气和水汽也会产生应力腐蚀现象， 使微裂纹扩展。如一根经过1.25GPa应力筛选的光纤，10天以后强度下降到 0.56GPa。3年后下降到0.45GPa。同时氢的侵入还使光纤损耗增加。o 埋入智能材料的光纤多用于测量应力 和温度，因此经常处在应力状
21、态中。 此外，随温度的变化复合材料的有机 树脂也会产生少量的氢气。这些因素 都会加速光纤的疲劳过程，使已埋入 复合材料的光纤的长期可靠性受到影 响。 o 抗疲劳光纤是在光纤包层外用化学气 相沉积法直接沉积一层碳膜，然后再 涂上一层聚合物防护涂层。碳膜厚度 一般为30 nm-80 nn。o 涂碳工艺在光纤拉丝时完成。涂碳工艺用的拉丝机与普通拉丝机 的区别是，在拉丝炉厂面被拉出的光纤经过CVD反应器，反应器 内通过含有碳氢化台物的气体，如C2H2、CH4等。这些气体作为碳 源被加热到900一l100，并使碳原子沉积在光纤表面。光纤 表面的碳层结构为无定形碳的六方晶格。这种结构可有效阻止氢 和水分到
22、达光纤表面，提高了光纤抗疲劳特性。 o 我国目前研制的涂碳密封光纤达到的技术指标为：光纤包层直径 122-128um，涂碳层厚度30nn50nm，抗拉力大于、等于45N，抗 疲劳因子n100，光纤损耗不因碳涂层而劣化。o 与普通光纤相比，涂碳光 纤抗氢渗能力可以提高6个 数量级； o 把两种光纤暴露于80、 300kPa氢气氛中，普通光 纤在1.08um、1.24um、 1.59um波长下出现很高的 吸收峰，而涂炭光纤的吸 收几乎没有变化。o 光纤作为智能材料传感系统埋入复合材料后不可能再更换或取出。 在智能材料经常受到应力载荷或完成自适应功能而变形的情况下， 光纤的长期可靠性和寿命尤为重要，
23、因此必须使用抗疲劳光纤。 o 碳涂覆光纤也是一种特殊涂覆光纤。其实金属涂覆光纤，如涂锡、 铝、镍等，也有抗疲劳作用，但碳涂覆工艺最成熟，且成本低、 抗疲劳性能优异，已成为抗疲劳光纤的主要品种。它在军用光纤 信号及图像传输、海底光缆等场合也有重要应用。3.3.4 单模保偏光纤 o 所谓“模”是指以一定角速度进入光纤的一束光。 o 单模光纤：光纤只能传输一种类型的电磁波 o 单模光纤的纤芯相应较细(纤芯直径为8-10m，包层外直径 125m)，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光 源，成本较高o 70年代初光纤通信进入实用化阶段，人们主要关心和利用的是光 纤的传输损耗及色散特性。因为这两
24、个指标直接影响光脉冲的幅 度和展宽，这对以强度调制为主要手段的早期光纤传输技术是首 先要解决的问题。 o 随着光纤技术的发展和应用领域的开拓，振幅调制已远远不能满 足容量、精度、灵敏度和功能扩展的需要。尤其光纤传感技术的 开发，需要光的相干检测，因此光纤中传输光波偏振状态的变化 和控制引起了人们的广泛重视。o 根据光导理论，普通单模光纤中有两个偏振模传输。在理想状态 下，这两个偏振模是简并的，它们应该有相同的偏振状态； o 在实际的单模光纤中由于光纤几何形状不标准、结构不对称、工 艺中的残余应力等原因，使偏振模的简并退化而形成两个正交的 偏振模。 o 由于外界温度、应力、微弯等因素的影响，普通
25、单模光纤中产生 线性双折射和圆双折射，使这两个偏振模发生耦合，因而光纤内 部传输光束的偏振状态在空间和时间上是随机变化的。光纤传输 状态的不确定性，妨碍了它在干涉型光纤传感器中的应用。 单模保偏光纤具有在传输过程中保持入射偏振状态不变的作用。 o 制作这种光纤的主要途径是人为增加光纤内部双折射，使其远远 超过上述各种因素的影响.双折射是指在纤芯内部两个垂直方向 上有不同的折射率，这两个方向即称为双折射的主轴。可使被激 励的一个偏振本征模的功率不会耦合到另一个正交模中去，从而 保持了入射偏振状态的稳定。这种保偏光纤也叫高双折射光纤。 o 高双折射光纤的双折射B应满足:B=nx-ny10-5 o 产生双折射的方法:利用应力双折射和形状双折射效应.常用的光纤传感器 o 常用的光纤传感器(红色的为目前主要应用的几种传感器) n 干涉型光纤传感器 o 早期：迈克耳孙、马赫-曾德尔干涉传感器（精度高，但有参考臂， 接头较多） o 后期使用：萨格纳克干涉传感器、法布里-珀罗干涉传感器、模耦 合光纤传感器、偏振光纤传感器、环状共鸣干涉传感器 n 微弯光纤传感器：灵敏度高（直径70微米光纤灵敏度为0.02 纳米） n 黑体光纤传感器 n 荧光光纤传感器 n 布拉格光栅光纤传感器
