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第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng) 劉星 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)2 高錕 華裔物理學(xué)家，為光纖通訊、電機(jī)工程專家，華文媒體譽(yù)之為“光纖之父”、普世譽(yù)之為“光纖通訊之父”（Father of FiberOptic Communications），曾任香港中文大學(xué)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(xué)獎(jiǎng)。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)3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(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主Fig.1貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室Georg

2、e Smith和和Willard Boyle將可視電話和半導(dǎo)體將可視電話和半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合發(fā)明了存儲(chǔ)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)4 趙梓森 中國工程院院士，國際電氣電子工程師協(xié)會(huì)高級(jí)會(huì)員，他是我國光纖通信技術(shù)的主要奠基人和公認(rèn)的開拓者，被譽(yù)為“中國光纖之父” 。武漢中國光谷的首席科學(xué)家，因?yàn)橛H手研發(fā)了中國第一根實(shí)用化光纖光纜和第一套光纖通信系統(tǒng)，而被譽(yù)為“中國光纖之父”。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)5什么是光纖？光纖是光導(dǎo)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(dǎo)工具。 第3章 智能材料中的光纖傳感

3、系統(tǒng)6傳輸原理：光的全反射（又稱全內(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(shí)，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)7v全反射的應(yīng)用：光導(dǎo)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(shí)遇到光纖彎曲處，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，而保證光線不會(huì)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(gè)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)8v微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)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(gè)名詞會(huì)被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護(hù)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(hù)層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對(duì)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

5、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)9v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(xì)相當(dāng)。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)10v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(hù)包層。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。 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柱體，它質(zhì)地脆，易斷裂，因此需要外加一保護(hù)

6、層。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)11光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：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(gè)特點(diǎn)，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(jìn)行均衡；二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔(dān)心因環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動(dòng)。 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(diǎn)，安裝十分方便。 v抗干擾能力強(qiáng)：因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁場的影響，故光纖傳輸對(duì)電磁干擾有很強(qiáng)的抵御能力。光纖中傳輸?shù)男盘?hào)不易被竊聽，利于保密。 v保真度高：因?yàn)楣饫w傳輸一般不需要中繼

7、放大，不會(huì)因?yàn)榉糯笠胄碌姆蔷€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(jìn)步，成本還會(huì)進(jìn)一步降低 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)12光纖的應(yīng)用通信應(yīng)用利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行的通信叫光纖通信。一對(duì)金屬電話線至多只能同時(shí)傳送一千多路電話，而根據(jù)理論算，一對(duì)細(xì)如蛛絲的光導(dǎo)纖維可以同時(shí)通一百億路電話！鋪設(shè)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(xué)應(yīng)用光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡可導(dǎo)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(dǎo)纖維連接的激光手術(shù)刀已在臨床應(yīng)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)13傳感器應(yīng)用

8、光導(dǎo)纖維可以把陽光送到各個(gè)角落，還可以進(jìn)行機(jī)械加工。計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、汽車配電盤等也已成功地用光導(dǎo)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(yīng)用。 藝術(shù)應(yīng)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)14光纖技術(shù)與應(yīng)用1,2,3 對(duì)什么是光纖有更深的了解了嗎？到此光纖的基本知識(shí)介紹完畢。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)153.1 發(fā)展概述 用光導(dǎo)纖維構(gòu)成智能材料的傳感系統(tǒng)是

9、從70年代末開始的.（3個(gè)階段）1.把光纖埋入先進(jìn)復(fù)合材料，用來監(jiān)測復(fù)合材料的應(yīng)變及溫度。目的是用光纖完成多種參數(shù)測量和信號(hào)傳輸，解決的主要問題是光纖、光纖傳感器和復(fù)合材料類型選擇與設(shè)計(jì)、光纖和復(fù)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(fù)合材料固化、材料承載后動(dòng)態(tài)性能測試和材料損傷評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)研究。其工程和學(xué)術(shù)上的價(jià)值在于：促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料，如碳纖維或有機(jī)纖維加強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件中的實(shí)際應(yīng)用；光纖傳感技術(shù)和先進(jìn)復(fù)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(chǔ)。3. 90年代初，光纖智能蒙皮完成關(guān)鍵技術(shù)研制和飛行性能評(píng)估，進(jìn)入應(yīng)用研究階段。 第

10、3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)16飛機(jī)裝配光纖智能蒙皮部位示意圖（深色部位）飛機(jī)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)17 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)18 裝有智能蒙皮的戰(zhàn)斗機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)用于武器裝備外殼的先進(jìn)復(fù)合材料加工成型過程中隨時(shí)監(jiān)測熱壓成型工藝中復(fù)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(shè)計(jì)余量過大而造成的浪費(fèi)和整機(jī)質(zhì)量的增加，這一直是航空設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難題；(2)起飛前自動(dòng)進(jìn)行機(jī)身構(gòu)件及蒙皮的非損傷評(píng)估，預(yù)測飛行可能性；(3)在飛行過程中，實(shí)時(shí)、自動(dòng)分布監(jiān)測機(jī)身和機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)、所受應(yīng)力及溫度變化；(4)在戰(zhàn)斗過

11、程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行負(fù)載環(huán)境及損傷的形成，評(píng)價(jià)戰(zhàn)斗損傷，計(jì)算剩余實(shí)力，存貯相關(guān)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(guān)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)19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(yù)制件，核反應(yīng)堆、火箭發(fā)射臺(tái)的基座，航天飛行器、陸地戰(zhàn)車和潛艇的框架等)。它可測量結(jié)構(gòu)的載荷大小、振動(dòng)幅度、溫度和應(yīng)力分布、應(yīng)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(zāi)害預(yù)測等軍用及民用大型設(shè)施。2.智能蒙皮： 智能蒙皮則

12、用于機(jī)翼、潛艇外殼、推進(jìn)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(dòng)檢測和控制殼體振動(dòng)、流體與表面引起的噪音，自動(dòng)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(dǎo)性能、通風(fēng)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)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3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)23 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)243.2 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(luò)和執(zhí)行器(驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)組成。對(duì)傳感器的選擇應(yīng)滿足如下基本要求。 (1)滿足強(qiáng)度相容要求； (2

13、)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)25 先進(jìn)復(fù)合材料中埋入光纖傳感陣列取得成功，正是因?yàn)樗鼈兓痉仙鲜鰝鞲薪橘|(zhì)與基體材料的相容關(guān)系。 對(duì)復(fù)合材料來說，其纖維增強(qiáng)組分和分層結(jié)構(gòu)適合光纖的埋入。對(duì)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(diǎn)。光導(dǎo)纖維具有傳感和傳輸雙重功能，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(qiáng)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(hào)仍在光纖中傳播。省去了金屬導(dǎo)線，減少了電磁干擾。光纖作為傳輸載體時(shí)直徑細(xì)小、質(zhì)量輕、易彎曲、耐高溫并便于埋入

14、復(fù)合材料。除此之外還具有抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕、傳輸帶寬較寬、用單根光纖可以進(jìn)行波分復(fù)用和復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。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(dāng)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)263.3 智能材料用特種光纖 光纖的基本屬性使它適于作為集成型智能材料的傳感，但在具體應(yīng)用中還有一些特殊要求。1.細(xì)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)27普通通信光纖光纖呈圓柱形，它

15、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)281、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(dāng)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125 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(dāng)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(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。一般涂敷后的光

16、纖外徑約1.5 厘米。 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 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)311.細(xì)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(hù)涂層直徑為250um 。先進(jìn)復(fù)合材料中典型的加強(qiáng)碳纖維的直徑只有10 um 。因此相對(duì)來說，光纖顯得太粗，埋入復(fù)合材料后會(huì)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(duì)取向有關(guān)。在其他條件相同的情況下，當(dāng)光纖與碳纖維垂直走向時(shí)，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

17、纖直徑的減小而縮小。復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，在樹脂富集區(qū)將發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力值可能比均勻復(fù)合區(qū)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，造成復(fù)合材料強(qiáng)度下降。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)32光纖周圍樹脂富集區(qū)m2mm光纖外徑對(duì)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) 1409.86904.26603.14402.29 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)33 一般來說，埋入復(fù)合材料作傳感系統(tǒng)使用的光纖，要求外徑尺寸與復(fù)合材料的層間厚度相近。 制造細(xì)徑光纖可以采用兩種方法。對(duì)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(yīng)在光纖拉絲工藝中加以控制。 除光纖直徑以外，光纖在復(fù)合材料中相對(duì)

18、于加強(qiáng)纖維（如碳纖維）的走向及埋入深度（埋在第幾層之間），對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)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(fù)合材料基體和測量的量等多種因素有關(guān)。因此針對(duì)不同使用要求，應(yīng)做出權(quán)衡選擇。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)34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(qiáng)纖維的兩直排層間并與加強(qiáng)纖維平行，對(duì)復(fù)合材料沿此方向的拉伸強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。這種結(jié)構(gòu)適于測量復(fù)合材料的溫度和應(yīng)變。 (2)用于檢測斷裂臨界負(fù)載造成的損傷時(shí)，光纖應(yīng)埋在靠近最大應(yīng)變的表層，并與上、下直排加強(qiáng)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(fù)合材料層間厚度(1

19、20um140um ) 時(shí)材料的拉伸強(qiáng)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(duì)強(qiáng)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)35光纖與加強(qiáng)纖維的各種取向 光纖埋入復(fù)合材料剖面圖 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)362 特殊涂覆光纖 智能材料傳感器光纖埋入復(fù)合材料時(shí)，光纖涂層應(yīng)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(duì)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(fù)合材料中與基體材料的耦聯(lián)性差，不能有效地將應(yīng)變耦合給光纖，因而影響應(yīng)力測量靈敏度。初期的實(shí)驗(yàn)曾使用裸光纖，光纖表面雖具有很好的剛性，但

20、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(fù)合材料成型工藝要求的。由于使用的樹脂不同，復(fù)合材料的熱壓成型工藝一般在150390下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，如果在復(fù)合材料中埋人丙烯酸涂層光纖，當(dāng)復(fù)合材料溫度為160時(shí)，由于涂層性能下降，導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度下降8，縱向壓縮強(qiáng)度下降26；而高于175時(shí)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)37 聚酰（xin ）亞胺涂層光纖可同時(shí)解決上述兩個(gè)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(dá)300350，短期可經(jīng)受450500高溫，200以下工作壽命超過500

21、00h，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(shí)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(fù)合材料加熱成型的工藝要求和應(yīng)力耦合的必要條件。但常用的鋁涂層光纖埋人復(fù)合材料后，由于鋁的氧化層與樹脂親合力差，影響了它的實(shí)際使用。當(dāng)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(jìn)行，研究的重點(diǎn)是尋找適當(dāng)?shù)慕饘偻繉印Ｋ鼞?yīng)與樹脂有較強(qiáng)的親合力或能抗水泥堿性的腐蝕，同時(shí)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)383 抗疲勞光纖 影響硅基光纖長期可靠性的兩個(gè)重要因素是由靜態(tài)疲勞引起的光纖強(qiáng)度衰減和滲氫

22、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(huì)產(chǎn)生某些微裂紋和微缺陷，在使用過程中，如成纜、敷設(shè)造成的彎曲和應(yīng)力，引起光纖微裂紋末端應(yīng)力集中，使光纖強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，使微裂紋擴(kuò)展。 埋入智能材料的光纖多用于測量應(yīng)力和溫度，因此經(jīng)常處在應(yīng)力狀態(tài)中。此外，隨溫度的變化復(fù)合材料的有機(jī)樹脂也會(huì)產(chǎn)生少量的氫氣。這些因素都會(huì)加速光纖的疲勞過程，使已埋入復(fù)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)39 抗疲勞光纖是在光纖包層外用化學(xué)氣相沉積法直接沉積一層碳膜，然后再

23、涂上一層聚合物防護(hù)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(fù)合材料后不可能再更換或取出。在智能材料經(jīng)常受到應(yīng)力載荷或完成自適應(yīng)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(hào)及圖像傳輸、海底光纜等場合也有重要應(yīng)用。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)404 單模保偏光纖 普通單模光纖中有兩個(gè)偏振模傳輸。在理想狀態(tài)下，它們應(yīng)有相同的偏振狀態(tài)。但在實(shí)際中由于光纖幾何形狀不標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、工藝中的殘余應(yīng)力等

24、原因，使偏振模的簡并退化而形成兩個(gè)正交的偏振模。又由于外界溫度、應(yīng)力、微彎等因素的影響，普通單模光纖中產(chǎn)生線性雙折射和圓雙折射，使這兩個(gè)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(shí)間上是隨機(jī)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(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述各種因素的影響，可使被激勵(lì)的一個(gè)偏振本征模的功率不會(huì)耦合到另一個(gè)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)41 幾種保偏光纖的結(jié)構(gòu) （a）橢芯光

25、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)425 雙模光纖 光波是一種電磁波。它在光纖這種波導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)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(gè)偏振方向相互垂直的本征模組成，這兩個(gè)模有相同的強(qiáng)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)43滿足單模傳輸?shù)臈l件

26、是 4048. 222221nna對(duì)一確定的光纖，滿足上式的波長叫截止波長 為： c22214048. 22nnac是除基模LP0l以外的次低階模LPll模的截止波長，當(dāng)工作波長 cc時(shí)該模截止，只有基模LP0l傳輸 c當(dāng)時(shí)，LP0l和LP11模同時(shí)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)44 LP11模由奇模LP11O和偶模LP11e組成。實(shí)際上雙模包括了LP01、LP11O和LP11e中各自相互垂直的六個(gè)本征振模，如圖所示。 LP11和LP01模的強(qiáng)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)45 智能材料中的光纖傳

27、感系統(tǒng)，一般是把光纖組成干涉儀使用。光纖干涉儀由信號(hào)光纖(信號(hào)臂)和參考光纖(參考臂)組成。信號(hào)光纖受到外界待測場的擾動(dòng)，感生了傳輸光束的相位變化，與參考臂未受擾動(dòng)的相位比較，通過相干光強(qiáng)度的變化檢測出待測量。如果把干涉儀信號(hào)臂和參考臂都埋人復(fù)合材料，參考臂光纖也受到與信號(hào)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(jìn)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，用單根光纖(保偏光纖或者雙模光纖)中兩個(gè)不同的傳輸模分別作為信號(hào)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，并已取得滿意效果。智能材料

28、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(duì)提高復(fù)合材料強(qiáng)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)466 同心雙通光纖 同心雙通道光纖可同時(shí)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(dǎo)單模纖芯，周圍是環(huán)狀大數(shù)值孔徑多模纖芯。當(dāng)光纖在復(fù)合材料中受到擾動(dòng)時(shí)，光從弱波導(dǎo)單模纖芯泄漏到多模環(huán)形芯中。在環(huán)形波導(dǎo)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(gè)信號(hào)，一個(gè)來自中芯，一個(gè)來自環(huán)形芯。信號(hào)到達(dá)時(shí)間差確定了擾動(dòng)位置，環(huán)狀多模芯中光的強(qiáng)度確定了擾動(dòng)大小。這種光纖于80

29、年代末期由美國布朗大學(xué)開發(fā)成功并用于智能材料實(shí)驗(yàn)。最近兩年俄羅斯航空學(xué)院詳細(xì)研究了這種光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)檢測靈敏度的影響并對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)47光纖傳感器在生活中的應(yīng)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(xué)參量的丈量關(guān)于橋梁、礦井、地道、大壩、建筑物等的保護(hù)和情況監(jiān)測是非常重要的。通過丈量上述布局的應(yīng)變散布，能夠預(yù)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(yù)先埋入布局中，對(duì)布局一起進(jìn)行沖擊檢測、形狀操控和振蕩阻尼檢 測等，以監(jiān)視布局的缺點(diǎn)情況。別的，多個(gè)光纖光柵傳感器能夠串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)布局

30、進(jìn)行準(zhǔn)散布式檢測，能夠用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行長途操控。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)48光纖傳感器在溫度測驗(yàn)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(diǎn)光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改動(dòng)，將散射回來的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢測解調(diào)后，送入信號(hào)處置體系便可將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)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(shí)刻對(duì)這些信息定位熱電偶測溫最高1600多度，藍(lán)寶石測溫可達(dá)2000多度。 第3章 智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)49光纖傳感器在裂縫監(jiān)測中的使用 當(dāng)?shù)叵律畈堪l(fā)作變形時(shí)，必將揉捏砂漿體發(fā)作相應(yīng)形變，致使裂縫或滑移（錯(cuò)動(dòng)）的發(fā)作，進(jìn)而導(dǎo)致埋入光纖的微彎，該處的微彎將損壞光波導(dǎo)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(jī)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)50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(gè)階段：對(duì)光纜可用性的討論；替代市內(nèi)局間中繼線的市話電纜和PC