第四章 光纤传感器2010部分习题

特点: ①信号臂与参考臂同时埋入复合材料中，且靠得非常近． ②信号臂比参考臂长的一段是干涉仪的探测区域，待测场使该区域信号光纤产生相对相位差， 并经耦合器输出检测。 ③克服了参考光纤不在材料内部的缺点，省去了一个耦合器。 ④探测区域小，提高了测量的空间分辩率。 ⑤具有双光纤共同的缺点：共模抑制能力较弱．不适宜用于低频应变测量。 ⑥由于具有高的灵敏度，常用来测量材料中低能量的高频信号，如复合材料层间开裂时的声发 射。 （3）法里布－珀罗(Fabry-Perot)光纤传感器
（4）光纤布拉格光栅传感器
工作原理：待测量对探测光束的波长进行调制，通过波长位移进行检测。 四种光纤传感器比较： 前述三种干涉型光纤传感器的共同特点：由待测量引起光相位调制，通过干涉强度进行检测。 其缺点是检测的干涉光强是相位差的周期多值函数，而且线性灵敏区域有限。 结构与特点：在光纤的一小段范围内沿轴向设法使折射率发生周期性变化而形成芯内体光栅。 光波传输特点：光波从光纤一端射入，由于折射率的周期性变化，使纤芯中向前和向后传输的 光波耦合。当满足 Bragg 条件时，波长为 b 光功率耦合到向后传输的光波中，在反射谱中 b 处形成 强度峰值，在透射谱中 b 处形成强度谷值。 7. 何谓光弹效应？光弹效应在光纤传感器中有何用途？ 光弹效应：当外力或振动作用于弹性体产生应变时,弹性体的折射率发生变化,呈现双折射性质。 这种现象为光弹效应。这种有内应力的透明介质中 o 光和 e 光折射率不相等，它与应力分布有关。 用途：(1)偏振调制光纤传感器； (2)相位调制光纤传感器； (3)以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器。 单模保偏光纤： 利用光弹效应产生双折射。 8. 简述驻波法和全息曝光法制作纤芯内光栅的工作原理。试比较驻波法和全息曝光法制作纤芯内 光栅的优缺点。 答： （1）驻波法 原理： 将波长为 488 或 514nm 的氩离子激光从光纤一端注 入，入射光在反射面返回，在光纤内形成驻波。驻波波腹处光 功率加强，从而产生折射率调制。 不足之处：光栅周期不能任意变动，是入射波长的 1/2 折射率调制度低(5×10-5 量级) 曝光时间较长，一般需要几分钟 （2）全息曝光法 写入过程：紫外激光束被分束器分成夹角为 2 的两个光 束，经柱面透镜聚焦，将两光束干涉条纹投射到光纤上，干涉 条纹方向与光纤轴向垂直． 其中相长干涉部分光强达到极大值， 使纤芯折射率受到调制。调制机理：掺锗光纤在 244nm 波长处 有一强的吸收带，吸收的紫外光直接破坏了 Ge-Si 键。 特点：灵敏度高，曝光时间短，折射率变化大，曝光与拉丝同时进行。
工作原理：利用多光束干涉（即两个反射镜之间的光束经过反射相干） 。当 F-P 光纤传感器受到 纵向应力时， 此时输出光强或光峰值处的波长会发生变化， 通过测量波长的变化量就可得到应变 。 本征型光纤 F-P 传感器的结构与制作： 方法一：先在光纤两端面溅射一薄层 TiO2 或蒸发一层金属膜，控制其厚度以获得适当的反射 率，然后再熔接在一起。 优点：制作工艺简单； 缺点：熔接端面镀有金属或介质膜，使光纤强度下降。 方法二：在纤芯周围约 15 m 直径范围内镀反射膜，从而使光纤包层断面完全熔接。 优点：一般单模光纤的纤芯面积只占光纤截面的 1%以下，因而可以保证熔接强度。 缺点：在如此小的面积上镀膜有一定的困难。 克服方法：采用 Bragg 光栅。
工作原理：把部分参考光纤绕在压电陶瓷（PZT）环上，当复合材料受力使信号光相位改变时， 为使相位差ψ仍保持π/2，电压则发生变化，这样监测输出电压的变化则可以检测出信号光纤与参 考光纤的相位差ψ值。 特点： ①干涉光强度与相位差有关 : 在π/2 处灵敏度最高
②在参考臂中设置相位调制器，将信号光与参考光的相位差总保持在π/2 处(零差检测)。 ③相位调制器由 PZT 环及绕在其上的部分参考光纤组成．工作时，驱动电压使 PZT 环膨胀， 导致参考光纤内相位变化，从而保持信号光与参考光之间π/2 的偏置。 ④仅适用于实验室。 （2）麦克尔逊(Michelson)光纤传感器 工作原理：将信号臂和参考臂同时埋入复合材料中，还靠得很近，两根光纤端面各自形成反射镜 并与耦合器一起形成干涉仪回路。当复合材料在外加负载作用下发生应变时，待测场使探测区信号 光纤相对参考光纤产生相对相位差， 并经耦合器输出检测， 由干涉光强的变化 I 便可得到待测外场 引起的相位差的变化 。
9. 何谓形状记忆合金？何谓形状记忆效应？有哪几种类型的形状记忆效应？ 答：在低温下使合金变形，然后将合金加热到一定温度，合金将回复到高温下的形状，这种现象称 为形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。 形状记忆效应的分类： ①单程形状记忆效应 加热时回复到高温形状，冷却时不再变化。 经过一定的训练后，可能会具有双程形状记忆效应。 ②双程形状记忆效应 加热时回复至高温形状，冷却时回复到低温形状。 ③全程形状记忆效应 加热时回复至高温形状， 冷却时回复到低温形状， 继续冷却时变成曲率与高温形状相反的形状。
第四章
光纤传感器 思考题
1. 何谓感知材料？何谓驱动材料？何谓智能材料？三种材料之间有何关系？ 感知材料：对外界（或内部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具 有感知功能的材料。 驱动材料：对外界环境条件（或内部状态）所发生的变化能作出响应或驱动的材料（机敏材料或 智能材料） 。 智能材料：以最佳条件响应外界环境的变化，且按这种变化显示自己功能的材料。它们可以感受 到外界环境的变化，并针对这种变化作出瞬时主动响应。具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报 以及靠自身驱动完成特定功能（如振动控制）的能力，智能材料和结构密切相关，互为一体，因此 确切说法应为智能材料和结构（简称智能材料） 。智能材料，属于功能材料的范畴。 2. 何谓传感器？现代信息技术的三大支柱是什么？传感器技术在其中起何作用？ 传感器：一种将各种物理和化学信息按一定的规律转换成电信号的功能器件，具有信息感知、信 息变换和信息传输的功能。 传感器技术、信息处理的计算机技术、信息传输的通讯技术是现代信息技术的三大支柱。 传感器技术是获取信息的手段，是构成现代化信息技术的主要技术。 3.有哪几类传感器？各有何用途？ A. 干涉型光纤传感器 相位调制光纤传感器： 光学现象：磁致伸缩、磁致伸缩、萨格纳克效应、光弹效应等 测量参数：电流、磁场，电场、电压、角速度、振动、压力、加速度、位移、温度 B. 非干涉型光纤传感器 I. 偏振调制光纤传感器 光学现象：法拉第效应（透射光） 、泡克尔斯效应（反射光） 、双折射效应（科顿-蒙顿效应） 、 光弹效应等。 测量参数：电流、磁场、电场、电压、温度、振动、压力、加速度、位移。 II. 强度调制光纤传感器 遮光板遮断光路：温度、振动、加速度、位移 半导体透射率：温度 荧光辐射，黑体辐射：温度 光纤微弯损耗：振动、压力、加速度、位移 振动膜或液晶的反射：振动、压力、位移 气体分子吸收：气体浓度 光纤泄漏膜：液位 III. 频率调制光纤传感器 受激喇曼散射：气体浓度 多普勒效应：速度、流速、振动、加速度 光致发光：温度 IV. 颜色调制光纤传感器 热色效应：温度 吸收光谱：pH 值 黑体辐射：温度 磷光光谱：温度
4. 与普通传感器相比，光纤传感器有何特点? 答：电绝缘、抗电磁干扰、非侵入性(无论对电磁场还是速度场)、高灵敏度、容易实现对被测信 号的远距离监控。 5. 有哪几种智能系统用特种光纤？各有何特点？ （1）细径光纤 光纤对复合材料性能的影响: I． 当光纤夹在加强纤维的两直排层间并与加强纤维平行，对复合材料沿此方向的拉伸强度的影 响可忽略不计。适用于测量温度和应变。 II．当光纤靠近最大应变表层，并与上、下直排加强纤维正交时，纤径增大会增大纤维周围的 树脂富集区，使复合材料强度下降，此时应采用细径光纤。适用于检测断裂临界负载造成的损伤。 结论：采用细径光纤对基体的性能影响最小 （2）特殊涂覆光纤 光纤涂层的作用：改善光纤与基体材料的耦联性，改善光纤的耐高温性能，使复合光纤具有较 高的弹性模量。 目前最为理想的实用化光纤涂层：聚酰亚胺涂层光纤(唯一理想实用的光纤) （3）抗疲劳光纤（由纤芯、包层、碳涂层、树脂涂层等组成） 影响硅基光纤长期可靠性的两个重要因素： ①静态疲劳引起的光纤强度衰减； 原因：使用导致微裂纹末端应力集中 ②渗氢引起的光纤损耗增加； 原因：环境和树脂释放氢气 克服措施：先沉积一层无定形碳，再沉积有机树脂涂层。注：无论是耦合还是抗疲劳涂层， 均可采用金属涂层，但最成熟的还是有机涂层(前者)和碳涂层(后者)。 （4）单模保偏光纤 引子：随着技术的发展，由振幅调制向相位和偏振调制发展。普通光纤受外界温度、应力、 微弯等因素的影响，产生线性双折射和圆双折射，使两个偏振模发生耦合，传输光束的偏振状态在 空间和时间上随机变化，妨碍了它在干涉型光纤传感器中的应用。 克服措施：人为增加光纤内部的双折射，使其远远超过上述各种因素引起的影响，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，从而保证了入射偏振状态的稳定。——高双 折射光纤。 保偏理论依据：人为引入应力，利用光弹效应产生双折射。
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（5）双模光纤 引子：干涉型光纤传感器必须有信号(信号臂)和参考(参考臂)两条通道,以便形成干涉。若 两者都埋入复合材料中，则产生同样的相位变化，起不到参考的作用。若将参考臂置于复合材料外 或加以屏蔽，则不适于实际应用。 措施：用单根光纤中两个不同的传输模分别作为信号通道和参考通道，代替干涉仪中的两根 光纤，不但可克服上述的困难，而且能使埋入光纤数减少一半。 （6）同心双通道光纤 组成：中心是弱波导单模纤芯，周围是环状大数值孔径多模纤芯 工作过程及其特点: I．当光纤在复合材料中受到扰动时，光从弱波导单模纤芯部分泄漏到多模环形芯中。 II．在环形波导中，光的传播速度与在单模芯中不同，因此在光纤检测端能先后收到两个信 号，一个来自中芯，一个来自环形芯。 III．信号到达时间差确定了扰动位置，环形多模芯中的强度确定了扰动的大小。 6. 试述四种光纤传感器的工作原理，并比较这四种光纤传感器的优缺点。 （1）马赫—泽德(Mach-Znhnder)光纤传感器