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光纤微弯曲位移传感器研究.pdf

光纤微弯曲位移传感器研究

sunbula
2010-09-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《光纤微弯曲位移传感器研究pdf》,可适用于IT/计算机领域

第卷第期么洲年月黑龙江大学自然科学学报,侧文章编号田一一侧刃一仪抖一解光纤微弯曲位移传感器研究常存,常青,柳青郁,邱安平,叶红安黑龙江大学电子工程学院,黑龙江哈尔滨义划刃摘要分析了光纤微弯曲位移传感器的基本工作原理,并对不同齿数条件下,有无模式去除器及模式去除器位兰对传感器的愉出特性进行了实脸研究实验结果表明光纤微弯曲位移传感器的输出特性与齿数、有无模式去除器及其位里有关。关键词光纤传感器微弯位移中图分类号文献标识码引言光纤传感技术是近几年来高速发展的新兴应用技术,现在已广泛应用于国防军事、航天航空、土木建筑、能源环保等各个领域光纤用于传感能实现“传”与“感”的合二为一,且体积小、抗电磁能力强、化学稳定性好、耐高温、可调参数多例如光纤的折射率、传播常数、光波的强度即振幅、相位、频率、偏振以及波长等,可实现对微小物理变化量的测量等许多优点这里研究的是一类基于光纤微弯曲损耗的原理制成的光强调制型传感器,可对位移、压力微小变化进行测量这种光纤微弯曲位移传感器突出优点是光功率维持在光纤内部,可免除周围环境的干扰,且灵敏度很高,能检测到小至刃。的位移变化’工作原理微弯曲损耗原理可用图来说明假设光线在光纤的直线段以大于全反射的临界角人射到界面上其中中为人射角中为全反射临界角价中时,光线在界面上产生全反射理想情况下,光将无衰减地在纤芯内传播当光线射人微弯曲段的界面上时,人射角将小于全反射的临界角即中,仇,这时人射光一部分在纤芯和包层的界面上反射另一部分光则透射进人包层,从而导致光能的损耗从光纤中输出的光强减小它的转换装置如图所示‘尸尹,」纤芯晰护令斌丈币侧牙为纷图光纤徽弯对传播光的影晌基于这一原理研制成光纤微弯曲传感器,它由两块波形压板变形器构成其中一块是活动板,另一块是固定板将一根多模光纤阶跃型或渐变型从一对波形压板之间通过当活动板受到微扰位移时,光纤就会发生周期性弯曲,引起传播光的散射损耗,使光在芯模中重新分配一部分光从纤芯中的传播模祸合到包层的辐射模另一部分光反射回纤芯中形成位移压力活动板轴人光光纤一乙。出光固定板圈光纤徽育曲位移传感器原理圈传导模当活动板的位移或所加的压力增加时,泄漏到包层中的散射光强度随之增大,因此,光纤芯模的输出光强度就减小,这样光强受到了调制通过检测泄露出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度就能侧出位移收稿日期门以幻一一作者简介常存肠一男,黑龙江大学电子工程学院讲师,硕士主要研究方向光纤传感器黑龙江大学自然科学学报第卷或压力信号的变化量模藕合导致光纤中传导功率的损失,产生的损耗占与变形器的机械参数齿距,齿数,光纤变形振幅和光纤的固有参数光纤芯半径,光纤外径,光纤芯与包层相对折射率差△,光纤芯折射分布措数的有关可以写成吞,,,,,△,“公式中任何一个参数的改变都会引起光纤内传播光的强度变化大多数微弯传感器都是把外场的变化转换成光纤所承受的压力的变化,把它们称为压力微弯传感器,标志它的性能的重要指标是调制指数’,义,‘竺丝昨。式中叽和城分别是光纤的输人与输出光能量,是光纤的透过率,是光纤的微弯幅度显然,表示改变单位压力或位移时光纤输出光能的变化量光纤最大弯曲幅度尸乃,、,,、。二、,、,,,‘,‘“一、二。。。,小一,、,,,二我甲七和分五刀尤封阴物戊很夏和俘性顶里,此盯月下下一二下不二,祝明,孟勺八肤止比,浏兀盯佩芍狈厂兮乙厂,。,、一,、一月一,。,一一、,、一一‘⋯一‘二,。‘、。‘,,二二、、耗的分析发现,的变化对书会影响较小,由式可看出压力型微弯曲传感器的调制指数即灵敏度将,“一“‘“‘一’一’一’‘一‘一’‘一‘’一、一’一”一一‘’一,一’‘一”’一’一’一”一’一一‘、’一产’随严格说应随人的意义见下文增大而迅速增大由于光纤微弯幅度远小于微弯周期,且光纤本身可看作刚体故可以把一个微弯周期段上的光纤看作中间受单个载荷作用的固定端梁来分析,通过解挠度方程可得到光纤的微弯曲线函数二了里二、,一、一,一,气‘,一下言丁气一万言一一一诬二乙、十”《·《晋盖普《”式中为微弯长度对式进行分析,假定在总的微弯长度《《上,是以为周期的周期函数,那么可展成傅里叶级数,,、,不一乙十艺,,兀“气而钾么其中,二。尸冷二。,,,”’陀“,,,式中,随的增大而迅速减小当取奇数时,。要大于”取偶数的情况,因此在奇数齿条件下,实现现象应更明显当光纤中的一对模式的有效传播常数之差满足八一一一丁一时两模式间功率藕合最强。对于阶跃光纤当“时,相邻两个模的有效传播常数差满足△,一,。十一,。一击告,于,三泛,价叶‘口帕式中为折射率分布函数,为纤芯半径,为总模式数,为模式标号,△为相对折射率差对于梯度折射率分布光纤,,所以式可得△刀△丁第期常存等光纤徽弯曲位移传感器研究梯度折射率分布光纤中,所有模的间隔相等,那么,只要其中一个导模可以泄漏到另一导模中,则意味所有的导模都能泄漏到其相邻的模中布光纤相匹配的变形器的空间周期,因此可以实现模式间的最佳藕合。根据和可求出与梯度折射率分即谐振周期‘兀丫厄万光纤的微弯周期等于心、、,在这些情况下,光纤微弯形变具有相同的余弦谐波分量,因此它们的微弯损耗应该是相同的综上所述,应使用奇数齿,且齿间距为光纤的谐振周期的奇数倍的变形器最为理想。实验实验以相同的人射光强人射,实验装置如图所示。光纤固定,改变齿数和外部条件来进行分析比较这种传感实验仪有一个光源输出口,一个刀呵光电探测输人口,通过一根大芯径光纤其数值孔径月,纤芯半径一,连接,调节驱动电流即可调节输人光强光源发出中心波长为的光,由大芯径光纤传输,经过变形器时受到调制,输出光强随变形器位移变化而变化,呵端将测得的输变形器实验装里图出光强转化为电压信号,送至输出显示其中变形器总齿数齿,齿距为“实验中我们采用驱动电流,用手动调节位移分别对齿、齿、齿、齿、齿做实验。齿的实验数据如表所示,并依据此值做出相应的实验曲线,如图所示表齿实验数据种类位移浏旧两端涂黑呵端涂黑端涂黑未涂黑,,,,,的石田卯月孩伍鼠】乡的夕兑鸿印伍从为名的伪男卯几印伍砚,直‘月,、︸,功班注表中数据为翰出电压黑龙江大学自然科学学报第卷公梦该豁葫撼数氛越垂嵘适豁确蟹茜葵颐路目暇定嚣弓患忌霭筑舀撰器毫昌居盆溢涛妞砚勿芍口端毒鑫壑奎夔矍塑丝鬓窿蕊毅典匕田攘奢葬画爵鬓面口面口面面函颐口函画颐口目百门臼曰口口口曰曰鹰套霆夔暴蒸妇妇脚麟察攀羹鬓龚哗簧攀粤攀舞鑫幕签爹募裹差鱼皿感多旦哥俘田娜,二矛了﹄弃旦哥称田卑一今两端涂黑抽出电压未涂黑枪出电压侧犷闷端涂黑翰出电压端涂黑箱出电压日︸田钾娜位移网位移加齿去模箱出功率齿未去模翰出功率位移了脚叮,月,,。曲图图齿实验曲线二由实验结果可以得出当加模式去除器后即涂黑光纤吸收泄漏模,损耗增大,输出光强降低对齿、齿做上述齿实验发现效果不明显再做齿实验得到与齿相同的实验结果,进一步证明了理论推导奇数齿效果优于偶数齿在对齿研究时,我们在涂黑光纤之前,先去掉光纤的涂覆层,发现效果更加明显见图,结论综上所述,光纤微弯曲位移传感器输出光强随位移的增加而减小,且只有在奇数齿时才有灵敏的探测度,可以探测到。的位移变化,加模式去除器后,损耗几乎增加了一倍,对测微小位移十分有利,具有一定的实用价值参考文献【郭风珍,于长春光纤传感技术与应用眯杭州浙江大学出版社徐同举新型传感器基础队北京机械工业出版社刘德森,等纤维光学阿北京科学出版社’刘瑞复,史锦珊光纤器及其应用时北京机械工业出版社,而,场,一,一,一,幻招,而幻。

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