光纤振动传感器Word格式文档下载.docx

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目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测[4]手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

医学及生物传感器、医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统、圆锥形微型测量氧气浓度及其他生物参数用探测氢氧化物及其他化学污染物、光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器、生物适应系统应用于海水监测、生化技术、医药。

1.4光纤传感技术的发展

光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统对信息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究显得更为重要。

在上述两种典型应用中，光纤传感器起着重要作用，有着突出的优点，但也存在着急待解决的问题（如光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响．组成光纤传感器各部分元件的本身性能对测量精度的影响等）。

认真研究光纤传感器的各组成部分元器件的性能（有效抑制光源波动、减小光纤传输损耗），特别是进一步改进敏感元件的制作工艺及结构、探索新的敏感机理，充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能，发展数字、集成化和自动化、工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感器是今后的研究发展趋势。

光纤传感器的发展趋势有如下几个方面：

（1）光纤光栅传感网：

光纤光栅是最近几年发展迅速的光纤无源器件，它在光纤通信、光纤传感等领域都有广阔的应用前景。

光纤光栅是用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化）在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。

利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器，例如：

光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用器，以及用于应力、应变、温度等参量检测的光纤传感器和各种（简单或复杂的）光纤传感网。

目前已有采用光纤光栅测量应力、应变、温度等参量以及构成光纤生物、化学传感器的许多报道，主要内容是如何提高灵敏度，扩大动态范围。

提高灵敏度的途径，包括改变包层材料，改变光纤结构，改变光纤成分等。

另外，采用光纤光栅构成多参量传感器和光纤传感网也是目前研究热点之一。

（2）分布式光纤传感网：

分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质，利用光波在光纤中传输的特性，给出沿光纤长度方向每一点的被测量值。

这是光纤特有的一种新型传感器，它可给出大空间里温度或应力等参量的分布值。

例如，一个20kin的分布式温度传感器，可给出20km内每一点（例如每米或每5m）的温度值构成分布式光纤传感器。

这里需要解决两个问题：

一是传感元件能够给出被测量沿空间位置的连续变化值；

二是准确给出被测量的所在空间位置。

对于前者，可利用光纤中的传输损耗、模耦合、传播的相位差、非线性效应（例如光波的频移）等给出连续分布的测量结果；

对于后者，可利光时域反射技术、扫描干涉技术等给出被测量的所在空间位置。

（3）用于智能材料和结构的光纤传感技术：

在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，传感元件可对结构的状态参数（如应变、温度、损伤程度等）进行实时测量；

驱动元件可对结构状态作必要的调节或控制，可保证结构安全运行并工作在最佳状态。

因为这种结构具有一定的“智能"

，故称为智能结构眨。

这种光纤传感器由于具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰电绝缘性好、带宽大等优点，可以同时作为传感元件和传输媒质，并实现多点或分布式测量，因而它是最有前途用于智能结构的传感技术，也是国内外目前研究热

1.5本论文研究的主要内容

1、光纤传感器的特点和工作原理

2、光纤振动传感器的基本原理；

3、设计光纤振动传感器，实现声音频谱范围振动的测试。

1.6振动传感测量技术研究现状

二十世纪初，研究者们就开始对振动测量技术进行探索研究。

在他们不断的研究和实践中，振动测量技术逐渐走向成熟，传感测量方法因其独有的优势也逐步发展起来。

振动测量主要是测量振动的重要参数，如振幅、频率、速度、加速度及位移等动态参数。

将传感器测得的振动信号进行解调并转换为电信号，接着进行信号放大、滤波等处理工作，再将该信号进行分析、显示的整个过程即为动态测量，振动测量属于动态测型。

振动测量技术随着工程中对振动监测需求的与日俱增而不断发展，涌现出大量高质量的测量设备和先进的测量方法。

目前，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。

（1）机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录下来。

这种测量方法的抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低；

多用于测量低频、大振幅振动。

（2）电气式测量方法目前应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信号。

这种测量方法灵敏度较高，但是难以抵抗电磁场的干扰，很难确保生产的安全性。

（3）光学式测量方法是采用光学传感器，将振动信号的变化转换为光信号的变化来测量。

这种测量方法弥补了机械式测量方法和电气式测量方法的缺陷，具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰能力强、远距离测量等诸多优点。

信号的探测、采集和分析是振动测量的核心。

计算机技术的飞速发展使信息处理技术有了突飞猛进的提高，数据的采集和处理技术已逐步走向成熟。

但是目前在工程中应用较多的振动测量技术主要还是基于传统的机械式测量方法，绝大多数振动测量系统都是采用的电磁类传感器，其灵敏度较低、测量距离短、抗干扰能力差，远远无法满足工程应用的需求，极大地制约了振动测量领域的进一步发展。

这主要表现在以下几个方面问：

（1）传统传感器的有效输出是由部分被测能量组成的，这使得传感器的输出能量较小、内阻较高且灵敏度很低。

（2）有的传感器在使用之前需要先将其调零，这使得传感器的长期稳定性降低。

（3）传统传感器的抗干扰能力都不太可观，对常见的随机干扰波都无法起到屏蔽或抑制的作用，并且测量频率范围较窄。

（4）传统传感器不能实现测量的智能化。

因此，采用新型振动传感器来改善现有振动监测系统中的缺陷是振动测量技术的关键问题。

振动测量技术的迅速发展以及工程应用中对高精度测量技术的需求，使得研制高性能的振动传感器来进行振动信号的测量成为必然。

光纤传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的发展，目前国内外研究者们已经成功研制出了很多光纤振动传感器，克服了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量精度高、范围广、抗电磁干扰能力强、适合各种恶劣环境等优点，受到了业内人士的广泛重视。

第2章光纤的基本特征

1970年华裔科学家高馄博士提出了损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔实验室指出了可在室温下连续工作的半导体激光器，开创了光通信技术的先河。

而作为传输光信号的重要基础媒介—光波导，得到了广泛的关注并取得长足的发展。

光纤作为各种光电器件的基础结构，对器件的性能要求起着至关重要的作用。

随着光学器件的不断发展，诞生出满足各种需要的光纤。

2.1光纤结构和种类：

光纤是一种光信号的传输媒介，是光导纤维的简称。

它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形的。

它以光的形式出现的电磁波能量，利用全反射的原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。

光纤的传输特性由其结构和材料决定。

光纤的的基本结构是两层圆柱壮媒质，内层是纤芯，外层是包层。

最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。

纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。

由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。

光纤的最外层是起保护作用的外套。

通常是将多根光纤扎成束并裹以保护层制成多芯光缆。

图一光纤结构

光波在光纤中传输时，由于纤芯边界的限制，其电磁场解不连续。

这种不连续的场解称为模式。

光纤的分类方法有很多种。

按传播模式的数量可以分为单模光纤和多模光纤。

只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，能同时传输多种模式的光纤称为多模光纤。

按纤芯折射率分布的方式可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。

前者纤芯的折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面处，折射率发生突变；

后者折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化的。

按传输的偏振态，单模光纤有可进一步分为非保偏光纤和偏振保持光纤。

其差别是前者不能传输偏振光，而后者可以。

按制造的材料分，光纤有：

（1）高纯度熔石英光纤，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB/km，一般小于1dB/km；

（2）多组分玻璃纤维，其特点是芯-包层折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为1dB/m；

（3）塑料光纤，其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；

（4）红外光纤，其特点是可透过近红外（1~5um）或中红外（~10um）的光波；

（5）液芯光纤，特点是纤芯为液体，因而可满足特殊需要；

（6）晶体光纤，特点是纤芯为单晶，可用于制造各种有源和无源光纤器件。

2.2

第3章光纤传感器的特点和工作原理

3.2.光纤传感器的特点

近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。

在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

光纤具有很多优异的性能，例如：

抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；

绝缘、无感应的电气性能；

耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的安全性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感器受到世界各国的广泛重视。

光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量并且在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。

总体来说光纤传感器具有许多优点，概括如下：

（1）高灵敏度：

例如目前用的马赫一泽德光纤干涉仪能检测0.1

rad的相位差，若光源的波长为1Pm，相当于

m光程差。

即采用干涉型光纤传感器可测非常小的物理量。

（2）抗电磁干扰：

一般电磁辐射频率比光波频率低的多，所以在光纤中传播的光不受一般电磁噪声的影响，此外光纤中的渐衰场只限于在包层中离纤芯数微米

处，而通常光纤包层都在10

am以上，因此在多芯光缆中纤芯间具有良好的抗电磁串音性能。

（3）电绝缘性和化学稳定性：

光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质，且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件，因此光纤传感器不仅化学稳定性好，而且电绝缘性能也高，特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境。

（4）良好的安全性：

光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量时，

不存在漏电和电击的危险。

故近年来医用光纤传感器十分活跃。

（5）可分布式测量：

一根光纤可以准确测出沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，从而可以实现长距离连续测控，并由此形成具备一定规模的监测网，提高监测水平。

（6）传输容量大：

由于光纤可以传输大容量信息，因此以光纤为母线，收集各传感点的信息来代替笨重的多芯水下电缆。

并且通过复用技术，还可以实现准分布式的光纤监测。

（7）使用寿命长：

光纤的主要材料是石英玻璃（塑料光纤一般比较少见），外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。

尤其是在土木工程中，地下水是一个不可回避的重要问题，光纤的这种特性减弱了地下水对传感器的腐蚀影响，从而提高使用寿命。

（8）轻细柔韧便于安装埋设：

光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。

此外，光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形状灵活，易于远距离监控和多功能传感等优点，使得它在建筑桥梁、电力工程、煤炭化工、地质探矿、石油勘探、地震波检测、医疗卫生、军事制导等领域有着极为重要的应用。

3.3光纤传感器的工作原理

光纤对许多外界参数有一定的敏感效应。

研究光纤传感原理就是研究如何应

用光纤的这些效应，研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，实现对外界

被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心。

在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。

显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。

但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化，将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。

因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。

光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。

由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等）的作用而直接或间接发生变化，从而也可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。

图2是光纤传感器的原理结构图。

光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。

光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变，特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。

光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。

图2光纤传感原理简图

3.4光纤传感器的分类：

光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器物理量测量达70

余种【5】。

然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测物理量。

光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：

一类是功能型（传感型）传感器；

另一类是非功能型（传光型）传感器。

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。

优点：

结构紧凑、灵敏度高。

缺点：

须用特殊光纤，成本高。

典型例子：

光纤陀螺、光纤水听器等。

非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。

光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

无需特殊光纤及其他特殊技术；

比较容易实现，成本低。

灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调

制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器。

光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、

光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。

在各种光纤传感器中，光纤干涉型传感器以其简单的结构和较高的灵敏度在

实验研究、实际应用中占据了较高的位置。

在光学测量领域，干涉测量技术是物

理量检测中最为精确的技术之一。

光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤

传感器。

其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或

传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生

变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的

信息。

通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；

利用磁致伸缩效应的电流、

磁场传感器：

利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等【6】。

20世纪70年代低损耗光纤出现以后，光纤干涉型传感器的研制有了长足进展，并很快得到实际应用。

利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。

其开发应用已经有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。

早期的光学干涉仪感测部分是用传统光学元件组成，具有受待测量影响而改变光特性的功能，如温度、压力、振动等。

但是，以自由空间作为干涉光路的一般干涉仪，由于其体积大，空气易受环境温度、声波和振动的影响，使干涉测量不稳定、准确度低，同时调整也较困难，所以限制了它在一般场合下的实用性。

目前的干涉仪都是以光纤为感测部分，光纤直接受待测量作用而改变其中传导光的特性。

用光纤代替自由空间作干涉光路的光纤干涉仪有两个突出的优点：

一是减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，并可使干涉仪小型化；

二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。

这样，传统的光学干涉仪从实验室中走了出来，并成为高机械强度和精密灵活的生产现场使用的仪表。

利用单模光纤作为光路的干涉仪，可以排除相干光在空气中传播带来的空气扰动及声波的干扰而引起的空气中光程的变化造成的光学干涉仪工作不稳定性。

光纤光波干涉可以把相位的变化转变为光能的变化。

因而，光纤传感器可进行由光波相位变化和光纤干涉两部分组成的相位调制，以克服光探测器不能直接感受相位变化的不足。

利用逆压电效应，将电信号转变为光纤几何尺寸的变化来实现相位调制或解调。

相位调制光纤传感器是以被测量引起敏感光纤内传播的光波产生相位变化，再利用干涉测量技术把相位的变化变换成光强的变化，来进行传感测量。

在光纤干涉仪中，采用了相位调制光纤应变传感器、光纤电流传感器、光声气体光纤传感器和位移光纤传感器等。

第四章锥形光纤的结构和传光特性：

4.1锥形光纤的结构

通常锥形光纤的加工方法有两种：

腐蚀法和融拉法。

前者的特点是光纤包层直径沿传播逐渐减小，而纤芯直径除了在小端附近时逐渐变小，其余部分基本不变。

后者可以看成在锥形区域内包层和纤芯的直径沿纤轴方向均逐渐变小，包层和纤芯的直径之比保持恒定。

这里讨论的是后者的锥形光纤。

本论文中所用的锥形光纤是通过对普通单模阶跃石英光纤进行拉锥制造而成，因此其传输特性与普通单模光纤的传输特性类似，研究的依据也来源于普通光纤的分析方法。

图1锥形光纤的几何剖面图

锥形光纤的几何剖面图如图1所示。

其中l是光锥长度，A是光锥锥度，a是光纤锥的粗端半径，b是尖端半径。

通过简单计算可得锥形光纤几何参数之间的关系:

（1）

其它参数已经设定的情况下，尖端直径越大，A越大;

光纤的锥形过渡区越短，即l值越小相对的锥角A就越大，锥形变化也就越尖锐。

在实验中用自制的热拉伸装置把光纤侧面拉成直锥形，锥形光纤顶端锥体的角度及其变化愈大愈光滑，锥形过渡区越短，传输效率就越高。

4.2锥形光纤的特性

锥形光纤因其特有的结构，在进行光的传输以及与LD等光源或其他器件耦合时也表现出许多与圆柱形光纤不同的特性，如低的传输损耗和高的耦合效率。

4.2.1　锥形光纤的传输损耗

根据光在光纤中的传输和损耗理论，光在圆柱形光纤中传输时，沿轴向单位长度的反射次数n和每次反射所引起的传输损耗k分别为：

（2）

（3）

其中，d为光纤内径；

θ为激光光束与光纤轴线的夹角；

ρ为光纤内反射膜的反射率。

可见，单位长度上的反射次数越多，激光能量的损耗就越多。

图2是激光光束在圆柱形光纤中传播时的示意图。

图2　光在圆柱形光纤中的传播

光在锥形光纤中传播时的示意图如图3所示

图3　光在光纤锥中的传播示意图

　假定锥形光纤的锥度夹角为2

，激光光束的入射角为

，激光在第一和第二次反射之间沿轴向所传输的距离为

，第二和第三次之间反射所传输的距离为

，依次为

。

通过几何计算可得到：

激光在单位长度的锥形光纤中的反射次数[3]为：

（4）

把式（4）与式

（2）相比较可以看出，激光在锥形光纤中的反射次数少于在圆柱光纤中的反射次数，并且，由于反射角的增大，在相同的传播距离内，激光走过的路程减少了。

这样一来，激光在锥形光纤中的损耗要小于在圆柱光纤中的损耗。

另外，激光在圆柱光纤中反射时每次反射的入射角不变，而在锥形光纤中第n次反射时的入射角为：

（5）

入射角随反射次数的增加而增大，反射率也逐渐增大。

从以上看出，锥形光纤在传输激光能量时，既可以减少激光光束在光纤中的反射次数，还使激光在传输过程中入射角逐渐增大，从而缩短了光束传播的路径，也增大了反射率，使得该光纤的传输损耗进一步降低，远小于同类型的圆柱形光纤。

图4单模锥形光纤结构示意图

应用

光纤水听