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基于微小信号检测的智能光电系统的研究与开发 摘要 厂 ( 在工程结构的失效方式中，断裂是最危险的失效方式。它不仅造成巨大 的经济损失，而且极易造成机毁人亡的灾难性后果。如果能够实时在线地监 测工程结构的内部状态( 主要是应力、应变和裂纹) ，就能够实时地对工程构 件的安全状态做出评估，可以把事故的损失减到最小。但由于工程结构的复 杂性及内部信号的微弱性，使得检测这些信号比较困难，传感器的研制也就 成了这项技术最难解决的技术问题，如何采用先进的技术来解决这些古老的 技术难题，这是当前各国科学家共同面对的课题。 2 l 世纪光电子技术、电子技术、计算机及网络技术的发展，带来了许多 学科的革命，对微弱信号的检测技术也发展到了新的阶段，以前难以解决的 一些微弱信号的检测技术也成了可能。本文结合工程实际，借鉴国外的一些 先进的检测技术，对如何检测工程结构内部所受的应力作了详细的研究和论 述，重点论述了如何智能化、网络化地实现这些信号的检测。广、一 论文以桥梁作为研究对象，结合现代光电子技术、微电子技术、计算机 及网络技术，为监测桥梁内部所受的应力设计了一套适合于远程实时监控的 智能光电系统。文章主要分为三部分：第一部分论述了微小信号的检测方法， 主要包括微小信号的检测技术、光纤传感器的原理、光纤微弯损耗效应及光 纤应力传感器的研制：第二部分重点讲述了智能光电检测系统的研制，主要 讲述了微弱光电信号调理电路的设计及由前( 后) 向通道、单片机、l e d 、 人机接口、通信接口等组成的智能光电系统的软硬件的具体设计；第三部分 为检测系统的网络通信部分，具体阐述了单片机系统间的组网技术、单片机 和m o d e m 之间的通信及通过现有的公用电话网络实现远程监控的技术，实 现现场检测系统与桥梁测控中心的数据交换。 f 本文采用将光纤传感器埋入桥梁内部的办法，能够实时监测桥梁内部所 受的应力，将现场检测系统与桥梁测控中心通过公用电话网络相连接，可以 实现远程集中监控和现场无人值班的目的。 论文的最后部分对所研究的智能光电系统进行了总结，并提出了该课题 的进一步研究的发展方向。厂丫一 关键字：光纤传感器，光探测器，单片机，m o d e m ，网络通信 基于微小信号检测的智能光电系统的研究与开发 a b s tr a c t nt h ei n v a l i dw a yo ft h ep r o j e c ts t r u c t u r e ，t h em o s td a n g e r o u sw a yi sr u p t u r e i tc a nn o to n l yc a u s e se n o r m o u se c o n o m i cl o s s ，b u ta 】s oc a ne a s i l yl o s em a n y p e o p 】e s l i f e i fs o m ew a yc a nm o n i t o rt h ei n s i d es t a t eo ft h ep r o j e c ts t r u c t u r e ( m a i n j ys t r e s s ，s t r a i na n dc r a c k l e ) r e a 】一t i m eo n l i n e ，w ec a nm a k e t h ea s s e s s m e n t t ot h es e c u r i t ys t a t eo ft h ee n g j n e e r i n gc o m p o n e n tr e a l 一t i m ea n dr e d u c et h el o s s o ft h ea c c i d e n tr e m a r k a b l y b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fp r o j e c ts t r u c t u r e a n dt h ef a i n ti n t e r n a ls i g n a lo fi t ，i ti st o od i m c u l tt om a k ea n dm e a s u r et h o s e s i g n a lr e l a t i v e l v s ot h er e s e a r c ho fs e n s o rb e c o m et h em o s td i m c u l t i e s t e c h n 0 1 0 9 i c a lp r o b l e mt o b es 0 1 v e d h o wt o a d o p t a d v a n c e dt e c h n 0 1 0 9 i e st o s o l v et h e s eo l dd i f n c u l t i e st e c h n o l o g i c a lp r o b l e mi st h ec o m m o ns u b j e c tt h a t p r e s e n ts c i e n t i s t so f a l lt h ew o r l d sf a c et o g e t h e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp h o t o e l e c t r o nt e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ， t h ec o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h e2 1s tc e n t u r y ，m a n ys u b j e c t si n c l u d e o ft h et e c h n i q u eo fd e t e c t i n gt h ef a i n ts i g n a l sh a v ed e v e l o p e di n t on e ws t a g e s o m ed i f f i c u l t p r o b l e mo ft h e d e t e c t i o nt e c h n i q u e si nt h e p a s th a sb e c o m e p o s s i b l et o s o l v en o w t h i st e x tc o m b i n e sp r o j e c tr e a l i t i e s ，d r a ws o m eg o o d i e s s o n so ft h ea d v a n c e dd e t e c t i o nt e c h n i q u e sa b r o a d t h i st h e s i sd e t a i l st h ew a y h o wt0d e t e c tt h ei n s i d es t r e s so ft h es t r u c t u r e ，a n de m p h a s i z eo nh o wt od e t e c t t h o s es i g n a l si n t e l i i g e n t i ya n d n e t w o r k e d l y t h et h e s i sr e g a r d sb “d g ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n ew i t hm o d e r n p h o t o e l e c t r o nt e c h n o l o g y ，m i c m e l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，c o m p u t e ra n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ，d e s i g n a l o n g - d i s t a n c ej n t e l l i g e n tp h o t o e l e c 打i c i t ys y s t e m f o r d e t e c t i n gt h ei n t e m a ls t r e s so f t h eb r j d g er e a 】t j m eo n l i n e t h ea n i c l ec o n s i s t so f l h r e ep a n sm a j n l y ：t h en r s tp a r th a sd e s c r i b e dt h em e t h o do fd e t e c t i n gt 1 1 ef a i n t s i g n a l ，m a i n l y i n c l u d e ：d e t e c t i o n t e c h n i q u e o ff h i n t s i g n a l ，p r i n c i p l eo ft h e o p t i c a ln b r es e n s o r ，t h el i t t l e 1 0 s ee f f 色c t sw h e no p t i cf i b r e1 l t t l ec u r v e d ，a n dt h e r e s e a r c ho ft h es t r e s ss e n s o ro fo p t i c a lf i b r e t h es e c o n d p a r te m p h a s i z e so nt h e d e s i g no f t h ei n t e l l i g e n tp h o t o e l e c t r i c i t ys y s t e m ，m a i n l yt e l l sm e d e s i g no f t h e c i r c u “t o p r o c e s s t h ef a i n t p h o t o e l e c t r i c i t ys i g n a l ，d e t a i l s t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r e d e s i g n o f i n t e l l i g e n tp h o t o e l e c t r i c i t ys y s t e m m a d eo fs i n g l e c h i p m i c r o c o n t r o u e r ，l e d ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f h c e ，e t c 1 1 基于微小信号检测的智能光电系统的研究与开发 t h et h i r dp a r ti st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o no ft h ed e t e c t i o ns y s t e m ，d e t a i l st h e t e c h n o l o g yo fs i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rh o w t og r o u pt h en e t w o r k ，a l l dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns i n g l et h ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e ma n dt h em o d e m ， a n dh o wt or c a j i z et h ed a t ab e t w e e nt h ef i e l da n dc o m p u t e rc e n t r a je x c h a n g e d t h r o u g ht h ee x i s t i n gp u b i i cp h o n e n e t 、v o r k a d o p t i n gt h em e t h o do fb u r y i n g t h eo p t i c a ln b r es e n s o r si n t ot h eb r i d g e ，w e c a nm o n i t o rt h ei n t e r n a ls t r e s so ft h e b r i d g er e a l 一t i m eo n l i n e c o n n e c t i n gt h e s y s t e ma n dc o m p u t e rc e n t r et h r o u 曲t h en e t w o r k o f p u b l i cp h o n e ，w e c a nr e a l i z e t h ei n f b r m a t i o nc e n t r a z e dm a n a g e m e n ta n dn e e dn o p e o p l eo n - t h e - s p o t t h el a s t p a r t o ft h et h e s i ss u m m a r i z e st h e i n t e l i i g e n tp h o t o e l e c t “c i t y s y s t e m ，a n dp u tf o r w a r dt h ed e v e l o p p i n gd i r e c t i o no ff h r t h e rr e s e a r c ho ft h i s s u b j e c t k e yw o r d ：o p t i c f i b r e s e n s o r 0 p t i c a l d e t e c t o r ， s i n 9 1 ec h i p m i c r o c o n t r o i i e r ，m o d e m ，n e t w o r kc o m m l l n i c a t i o n i j i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 本课题来源、研究意义及国内外的研究动态 1 1 1 本科题的来源 本科题是在结合我校承担的省、部级重要研究课题一一工程结构裂纹智 能诊断系统的基础上，开展对微小信号检测技术的研究，光纤传感器在桥梁、 大坝、高层建筑等大型建筑物的状态监测中的具体应用研究，结合现代光电 子技术、微电子技术、测控技术及通信网络技术并在此基础上研制一套适合 于工程结构安全状态远程监控的智能监测系统。 1 1 2 研究意义 在工程构件的失效方式中，断裂是最危险的失效方式。它不仅造成巨大 的经济损失，而且会造成机毁人亡的灾难性后果j 。1 9 8 3 年，国际断裂 杂志公开发表了“美国断裂损失调查报告”。这是有力学、材料、结构、设 计、经济及工业活动家等专家参加的一次大型综合性断裂损失调查。调查结 论指出：“断裂使美国一年损失1 1 9 0 亿美元，占1 9 8 2 年国民生产总值的4 ”。 值得注意的是，调查报告同时还指出，如果采取一些措施，可以大大减少这 些损失【2 j 。特别是对于桥梁、大坝、办公大楼、民用建筑、核电站建筑等的 安全问题关系着社会大众的安全。据统计【3 】，美国近2 5 年来已有8 0 多座大 型建筑倒塌，造成巨大的经济损失和人身事故。如果能实时在线检测这些建 筑工程结构的安全状态( 主要是应力、应变状态) ，能在事故发生之前及时 地检测到这些信号、并发出警报，则可以把事故损失减少到最小。根据疲劳 断裂力学，所有疲劳断裂都经历了裂纹的萌生、扩展、断裂的过程。由于材 料的初始缺陷，在外应力的作用下，微裂纹会得到扩展，当裂纹扩展到一定 程度时会导致断裂事故。因此发现裂纹并对其跟踪监测，是防止裂纹断裂的 最有效措施。为此许多国家都对这些方面进行了研究，并提出了许多方法， 武汉理工大学硕士学位论文 概括起来有感官观察法、磁场探伤法、着色探伤法、超声波探伤法、x 射线 探伤法、涡流法、以及液体贯穿渗透法等技术【2 1 。但由于土建结构的复杂性 和大面积性，这些传统的裂纹检测方法都很难对其有效，因此须要采用新的 技术开发出新的检测方法来对这些重要的工程( 如桥梁、大坝、高层建筑等) 的状态作实时在线检测，以反映这些工程的实时安全状态。因此，开展这一 方面的研究，无论从理论上还是从现实的社会意义上来说，不但具有重要意 义，而且已经是非常紧迫。 如何准确检测微小信号一直是信号检测技术的一个难点，微弱光电流信 号的检测更是一个普遍性的问题，开展对这方面的研究对许多微小信号的检 测也有参考意义。 将现代网络的设计思想融入测控系统中，既能实现信息的集中统一管 理，又能节约大量的人力物力( 现场无需人值班) ，这是现代测控技术的发 展方向，也是最近几年测控技术的研究热点之一。 1 1 3国内外的研究动态 2 0 世纪光电子技术的发展，为许多学科都带来深刻的变化。将光纤引 入传感器领域已形成了种新的学科一一光纤传感器技术。将光纤传感器埋 入到复合材料中，测量材料内部的应力、应变以及结构损伤，已在航空航天 领域发展成为一种很有效的无损检测技术，国外的实验室、学校、研究机构 等做了大量的研究工作，并发展了多种机敏复合材料与结构1 4 】。桥梁、大坝、 高层建筑等的安全问题更是关系着社会大众的安全，所以，近年来人们研究 的一个热点是埋人式光纤传感器在土建工程领域的应用，即机敏土建结构的 研究胪j 。机敏结构基本的传感能力应包括1 6 j ：( i ) 感受外部载荷；( 2 ) 测量 结构对外部载荷的反应；( 3 ) 确定结构的安全状态。然而对于建筑结构来说， 它承受了多种外部载荷，如：结构本身的重力、设计时的目标载荷( 如：车 辆、行人等的重力载荷) 、异常载荷( 如：风暴、洪水等) 。建筑结构对这些 外部载荷的反应一般是变形、扭曲或者断裂、跨塌。用传统的测量装置实时、 在线检测所有这些反应是比较困难的。由于机敏结构中的光纤传感器能够检 测外部载荷，测量内部应力、应变及内部结构的损伤，并具有适当的反应能 力。对于要求安全可靠的土建结构和建筑物如桥梁、高层建筑、大坝、油库 等来说，在其结构中埋人光纤传感器、构成机敏结构，就能实时检测结构的 彗竖坚三奎堂堡主兰垡堡壅 一 安全状态，可以大大减少结构的安全事故的损失。 光纤传感器由于具有许多独特的优良特性，成为机敏土建结构的首选传 感器【6 1 。将光纤传感器埋入桥梁、大坝、大楼等大型建筑中，可以预报这些 建筑物的隐患，以减少突发灾害性损坏。美、英、德、法、日等国家先后展 开了这方面的研究。据统计，美国近2 5 年已有8 0 多座大型建筑倒塌，因此 美国积极开展土木建筑中的光纤智能化检测工作。1 9 8 9 年美国布朗大学 ( b r o w nu n i v e r s i t v ) 的门德斯( m e n d e z ) 等人首先提出光纤传感器用于钢 筋混凝土结构的检测后，各国研究机构都积极展开了对这方面的研究工作， 其中尤以美国韦尔蒙特大学( v e r m o n tu n i v e r s i t y ) 的研究成果最为突出1 7 j 。 他们在最近几年将各种光纤传感器分别埋入到民用建筑、高层建筑、人行天 桥、州际公路、铁路桥及水电大坝中，以检测结构或建筑物内部应力、应变、 结构振动，结构损伤程度，裂缝的发生发展等内部状态，并取得了较好的测 试结果。韦尔蒙特大学1 9 9 2 年将分布式光纤应力应变传感器安装于装机容 量7 5 m w 的威怒斯基河水电站内，以检测未来5 0 年内的水坝的安全性。该 传感器可以实时报告大坝遭受洪水和巨大震动后的情况。该大学还于1 9 9 1 年将同样的光纤应力应变传感器埋设在该校的一栋新建大楼中，以检测该大 楼的损坏情况【8 j 。原西德于1 9 8 7 年在v l e r h e y s t r a s s e 楼中埋入光纤应力应变 传感器，每年都发表文章报告检测情况，继后又在柏林附近的m a r i e n f e l d e 桥内埋入光纤应力应变传感器一】。法国于1 9 8 9 年在巴黎地铁“m - a r i e l di v r v ” 站埋入光纤应力应变传感器，以监测地铁地基下沉时隧道的裂缝情况。在国 内，重庆大学智能结构中心于1 9 9 2 年首先开始机敏土建结构的研究，并取 得了一定的成果i l 。 总的说来，无论是国外还是国内对这方面( 机敏土建结构) 的研究都还 处于理论、实验和试验阶段，还有很多问题( 适合于工程需要的光纤传感器 的研制、光纤传感器在土建结构的埋入问题、相关光学器件的研制等问题) 需要解决，对光纤传感器在机敏图结构中的应用研究，涉及到光学、光电子 学、结构工程学、智能结构、电子技术、检测技术、计算机技术、现代通信 技术等众多学科，需要各方面的专家来共同解决，目前，许多国家都在致力 于这方面的研究，属于国际性的前沿课题。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 光纤传感器研究进展2 3 1 传感器是新技术革命和信息社会的重要基础，成为8 0 年代中期以来国 际市场最走俏的商品之一。有人估计，1 9 9 2 年全球的传感器市场规模约为 2 1 0 亿美元，年增长幅度超过任何一种仪表。各国厂商不吝巨资加强开发， 使各种传感器源源不断进入市场。近几年来，在力、热、电压、磁、汽、湿、 光等七大类传感器中尤以光传感器中的光纤传感器倍受青睐。光纤传感器是 光子与承载信息传输的导波光子技术的一个领域。光子技术是光子学与电子 学结合而成的技术。光子作为信息的载体要比电子的速度容量和空间容量优 越得多，响应速度要比电子的高三个数量级，并且具有高并行处理能力和信 息率等特性，使其具有远高于电子信息容量与处理速度的潜力，因此，国际 上一些发达国家对光子学及技术、光子工程、光子产业给予了高度重视。美 国是最早研究开发光纤传感器的国家，其他发达国家如日本、西欧国家也加 大了这方面的投资力度，最近，我们国家的一些高校、研究所也在积极地开 展光纤传感器的开发与研究工作。为了方便，表1 中列出了目前各国研制较 多的光纤传感器。 随着信息高速公路热潮的到来，光纤传感技术将与光通信技术一起走 进千家万户，深入军事和民用的各个方面，我国要赶上超过世界先进水平， 也一定要重视光纤传感器技术的研究与开发。 表1目前研制较多的光纤传感器 光纤传感器用途敏感的物理量、传感器形式 光纤温度传工业、交通工具、石油、温度：点式或分布式测量 感器化工、医学、电力等各领传光型：荧光衰减、热辐射、半 域恶劣环境下测温、火灾导体吸收型等 报警等本征型：相关式、偏振、布拉格 光栅、瑞利散射、拉曼散射等 应力应变光医学、石油化工、大型建应力、应变 纤传感器筑损坏检测、光纤灵巧蒙传光型：光强式、微弯损耗法等 皮与灵巧结构本征式：相关式、偏振、布拉格 光栅等 光纤陀螺宇宙飞船、航天飞机、导角速度 弹、潜艇的惯性导航与制用s a g a n a c 效应相关型陀螺、全 4 武汉理工大学硕士学位论文 导，车辆导航等光环型、集成化光纤陀螺 光纤加速度与光纤陀螺仪器可形成加速度、速度、位移 计惯性导航系统强度调制型和相位调制型 光纤水昕器反潜武器系统，水听器基声波压力 阵，反潜艇网络强度型和相位调制型 光纤辐射传核爆炸试验监测、核废料y 射线、中子、离子、化学试剂 感器监测传光型：闪烁体+ 传光光纤 传感型：荧光、吸收、形变、折 射率、模变化 遥测遥感光将光纤传感系统联网，构 将光纤埋入地下、草皮地下，架 纤网成攻不破的防线 设计围栏处，敏感入侵者的压力 光纤传输瞄新型坦克火控系统 光纤图像传感器 准系统光纤内窥镜 光纤激光告火灾、损坏告警 敏感来袭激光的强度方向、架设 警传感器战场实时告警 计围栏处，敏感入侵者的压力 光纤延迟线光电欺骗性干扰技术 利用单模、多模光纤延迟特性 光纤灵巧蒙将光纤嵌入飞机蒙皮用 敏感压力、应变、温度、振动、 皮与灵巧结 复合材料结构中作为神损伤情况等 构 经，可敏感飞机的实时状分布式、准分布式、点式 态 1 3 课题研究需要解决的主要问题 本文要研究和解决的主要问题包括以下几个方面： ( 1 ) 研制适合于工程结构应力监测用的传感器： ( 2 ) 微小光电流信号检测电路的设计： ( 3 )现场检测系统的软硬件设计； ( 4 ) 利用公用电话网络实现系统的远程监控，实现信息的集中管理 和现场无人值班的目的。 亟堡望王查兰堡主堂堡堡苎 1 4 本文的构思 针对工程构件的复杂性及内部信号的微弱性，本文采用将光纤传感器埋 入构件内部的方法来检测其状态信号。论文首先阐述微弱信号的检测方法、 光纤传感器的原理及光纤传感器的具体研制；重点讲述微弱光电信号调理电 路和智能光电系统软硬件的设计；文章的后半部分主要论述了智能光电系统 的组网技术以及通过i n t e r n e t 实现远程监控的方法。系统框图如图1 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章光纤传输原理与光纤损耗 光纤是“光导纤维”的简称，是一种能够传送光频电磁波的介质波导。 所谓波导是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传输的 传输介质。光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝，其基本结构通常包括 纤芯和包层两部分，纤芯由高折射率材料制成，是光波的传输介质；包层材 料折射率比纤芯稍低一些，它与光纤共同构成光波导，形成对传输光波的约 束作用。目前，已研制成功的光纤包括石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光 纤、晶体光纤以及红外材料光纤等【l “。 现在，光纤在通信、传感、激光治疗仪，激光加工机等方面都成功地得 到了应用，但其最主要的应用领域是光纤通信和光纤传感器。相对无线电通 讯来说，光纤通信具有传输带宽、通信容量大、中继距离远、抗干扰能力强、 成本低等特点。限于本论文的内容，不对光纤通信作深入探讨，仅讨论光纤 用于传感器方面的理论与应用。相对传统的传感器而言，光纤传感器具有灵 敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、电绝缘性好、便于与计算机连接、便 于与光纤传输系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。因此，光纤传感 器得到愈来愈迅速的发展。 本章主要介绍光在光纤中光信号传输的基本原理和有关光纤损耗的理 论，为光纤传感器的研制打下理论基础。 2 2 光纤传输的基本原理5 6 3 光纤的传输特性与其横切面上折射率分布有很大的关系。光纤依据其折 射率分布可以分为两类：阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤。在 阶跃折射率分布光纤中，纤芯和包层的折射率均为常数，分别为n 和n ： ( n n ：) 。在渐变光纤中，包层的折射率仍然为n ：，但纤芯折射率不再为常 数，而是自纤轴沿半径r 向外逐渐下降；在纤轴处( r = o ) 折射率最大( 等 蓝坚里三奎兰堡主兰垡笙茎一一一一 于。) ；在纤壁处( r = a ) 折射率最小( 为n 。) ，光纤的折射率分布可由2 1 式 来描述： o r d ( 2 1 ) rd 其中a 为纤芯半径；是纤芯轴线折射率与包层折射率的相对差，定义 为： ( 2 2 ) g 是折射率分布参数，它决定了折射率分布曲线的形状，当g = 。时，即 为阶跃折射率分布光纤；当g = 2 时，称之为平方律分布( 抛物线分布) 光 纤；当g = l 时，为三角分布光纤。 在光纤中传播的光波遵从麦克斯韦方程组，由此出发，可以推导描述光 波传播特性的“射线方程”式2 3 和“波导场方程”式2 4 ： 要 吣) 冬l = v ”( r ) ( 2 3 ) 甜l日5 j v ，2 纛讣z2 嚣诗。 b 。， 上两式中：s 是光线轨迹的弧长，r = x e 。+ y e 。+ z e ：是光线轨迹上一点至参 考点的矢径；v 和v 2 分别是梯度算符和横向拉普拉斯算符： 可= v 2 = a _ _ a x a _ 西 aa ( 直角坐标) ( 2 5 ) ( 圆柱坐标) ( 直角坐标) ( 2 6 ) ( 圆柱坐标) e 和h 分别是光波的电场和磁场强度矢量，z 是光波的横向传播常数 rj p 、j 口 o 弘口 一 r i u l r 盯 聆 j，l i i ) r 胛 半簪 卫瑟 + 矿卫伽 q 0 蔓矿旦抄生掰盟协 武汉理工大学硕士学位论文 是k 的横向分量，定义为 z2 = ，2 翻一2 = 2 2 一2 ( 2 7 ) 式中，w 为光波角频率，e 和p 分别是传播媒质的介电常数和磁导率；k 0 = 2 n 。是光波在真空中的波数：b 是光波的纵向传播常数，是k 的纵向分量， 定义为：b = n k o c o so ：，其中e ：是波矢k 与z 轴的夹角。 射线方程2 3 和波导场方程2 4 分别构成是光线理论和波动理论的基 础。光线理论是用几何光学的方法来分析光波在光纤中的传播，它仅在光 波波长远小于光纤芯径时才适用，它研究的重点是光波在光纤中的传播轨 迹。波动理论以波动光学的方法分析光波在光纤中的传播，具有普遍适用 性，它研究的重点是光波在光纤中激励的模式以及在传播过程中的模式变 化。下面分别加以详细介绍。 2 2 1 光纤传输中的光线理论 在光线理论中，近似认为光波波长 o o ，从而将光波近似看成为光线， 其在光纤中传播遵循几何光学的反射定律和折射定律。对于给定折射率分 布n ( r ) 的光纤，可由23 式导出其中传播光波的光线轨迹。 对于阶跃折射率分布光纤，子午光线的传播轨迹是限制在子午平面内的 锯齿形折线，斜射光线则是螺旋状折线。 对于渐变折射率分布光纤，其子午光线也限制在子午平面内传播，但光 线轨迹是光滑曲线；斜射光线的轨迹比较复杂：一方面光线沿径向呈周期 性变化，一方面又沿角向周期性变化的角速度旋转。不同折射率分布n ( r ) 对应于不同的光线轨迹，对于子午光线可用式2 8 来描述： ：f ! 鱼丝丝鱼丝一： ( 2 8 ) h2 p ) 一 2 ( ) c o s2 曰：( ，0 ) 、 在上式中：r o 是光纤端面上光线入射点径向坐标；口( ) 是入射点处光 纤一侧光线与纤轴( z 方向) 的夹角；n ( r o ) 是入射点光纤材料折射率。给定 光纤的折射率分布n ( r ) ，可由式2 8 求出相应的子午光线轨迹曲线函数表 达式。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ，2 2 光纤传输中的波动理论 在波动理论中，用电场和磁场强度矢量e 和h 来描述光波的传输特性， 由2 4 式并根据给定的折射率分布n ( r ) 和光纤的边界条件，求出e 和h 在指 定坐标系中的全部分量表达式，即可确定光波的场分布。 1 ) 光纤中存在的三种模式( 导模、泄漏模与辐射模) 导模场分布的特 点是：在纤芯内部为驻波场，在包层中为衰减场( 消逝场) ，光波场功率限 制在纤芯内传播，导模存在的条件是：n 2 k o 口 n i k o 。泄漏模的场分布特点 是：在纤芯内传播的光波场功率透过一定厚度的“隧道”泄漏到包层之中， 因此，在纤芯及距纤芯壁一定距离的包层均为传播场。辐射模则在纤芯和 包层均为传播场，光纤失去了对光波场功率的限制作用。 2 ) 导模的截止和远离截止光纤中传播模式的特性由其横向传播常数 x 决定，在纤芯中，导模的传播常数n 2 k o ”：氏传导模式 口；”，泄漏模式( 2 3 5 ) 卢 2 4 0 5 时，其b 值在n l k o 与n 2 k o 之间取值，这时它是传导模。传导模的基本特征是，场能量集中在光纤芯中 沿光纤传播，它在包层中的场迅速衰减。当v = 2 4 0 5 时，其b 值等于“2 k o ， 它变成漏泄模。漏泄是指其场能量不再集中于光纤芯中，而有一部分漏泄到 包层中。这时包层中的场不再是衷减场，而变为恒定值。能量的漏泄最终使 该模式在光纤芯中截止。这就是漏泄模的特征。当v 2 4 0 5 时，b n 2 k o ， 它又变为辐射模。辐射是指能量从光纤包层向外辐射。从光纤理论讲，就是 不再满足全反射条件，不能沿光纤传播。因此，漏泄模和辐射模的出现，将 造成光波沿光纤传播时的额外能量损耗。 对理想光纤来说，光纤归一化频率参量v 值确定之后。光纤中存在着一 武汉理工大学硕士学位论文 定数目的传导模式。这些导模都是麦克斯韦方程的特解，彼此独立传播，相 互之间没有能量交换，即没有模式耦合。 实际光纤总是非理想，存在着各种各样的缺陷。例如，芯子折射率的不 均匀性，纤芯包层之间的界面畸变，光纤弯曲等。这些波导不完善的因素， 可能是由于光纤制造工艺中的问题，也可能是使用环境中的干扰所致。这些 实际存在的波导不完善性，破坏了理想的边界条件，从而破坏了理想条件下 各导模的独立传播性质，导致了波导模式之间的能量交换，使模式的幅度发 生起伏变化，这种特性称之为模式转换或模式耦合。 模式之间的耦合通常包括导模与导模之间的耦合，导模与泄漏模之间、 导模与辐射之间的耦合。很显然，模式之间耦合的存在造成了信号的失真， 而导模与漏泄模、辐射模的耦合，使导模能量减少，造成波导损耗。对于 光纤通信应用，这是一种有害的效应而对于光纤传感应用，则是一种功 能效应。因为通过耦合所引起的模式能量变化能获得待测物理量变化的信 息，这是光纤传感器的工作原理之一。 4 ) 导模功率传输特性在阶跃光纤中，当导模远离截止时，其功率几乎 全部集中在纤芯中传输；当导模临近截止时，低阶模功率几乎全部在包层 中传输，而高阶模功率仍有相当大部分留存在纤芯中传输。在光纤的输出 端，光功率的近场和远场分布可分别表示为： r，、。， 只。心) = 只。( o ) fl l 形。 ( 2 1 4 ) l 7 ” j r， 一2 只。( 臼) = ( o ) | 1 一陋r 4 fi ” ( 2 1 5 ) lj 式中，g 为光纤折射率分布参数，n a 为光纤数值孔径。 2 3 光纤的损耗1 3 1 【1 4 1 光波在实际光纤中传输时，光功率将随传输距离的增加而作指数衰减 如下式所示： p o ) = 尸( o ) e x p ( - 舷)( 2 1 6 ) 式中k 为光线功率损耗系数，k 大小为： ：土l n 型7 、 武汉理_ 丁大学硕士学位论文 k 的单位为“奈贝”。在光纤应用中，通常用“分贝( d b ) ”来表示光纤 的损耗，计为n ，n 定义为每单位长度光纤的功率衰减分贝数。o 和k 的 关系可用下式来表示： 1 np ，n 、 口= 竺l o g ，。兰z4 3 4 t ( d b ) ( 2 1 8 ) z ，( z ) 产生光纤损耗的机理主要有三个方面：吸收、散射和弯曲所引起的损耗。 吸收损耗是指由于光纤材料的量子跃迁，使得光功率转换成热量，引起 光功率的损耗。光纤的吸收损耗包括基质材料的本征吸收、杂质的吸收和 原子缺陷吸收。本征吸收是指紫外和红外电子跃迁与振动跃迁带引起的吸 收，这种吸收带的尾端延伸到光纤通信波段，但引起的损耗一般很小 ( o o l o 0 5 d b k m ) 。杂质吸收主要是各种过渡金属离子( f e ”、c u ”、n i 3 等) 电子跃迁以及氢氧根离子( o h 一) 的分子振动跃迁引起的吸收，通过适 当的工艺可以使光纤中过渡金属的含量降到p p b ( 1 0 。) 量级以下，可以基本 上消除金属离子引起的杂质损耗，而o h 。所引起的吸收则难以根除，它构成 了光纤通信波段的三个吸收峰( 1 3 9 胛、1 2 4 朋和o 9 5 朋) 和三个通 信窗口( 0 8 5 彬、1 3 1 ”，和1 j 5 彬) ，其中1 5 5 胛是光纤的最低损耗波 长。原子缺陷吸收主要是光纤材料受到热辐射或光辐射作用引起的吸收， 对于以石英为纤芯材料的光纤，这种吸收可以忽略不计。 散射损耗是光纤中由于某种远小于波长的不均匀性( 如折射率不均匀、 掺杂粒子浓度不均匀等) 引起的对光的散射所造成的光功率损耗。其中、 在小信号功率传输时，最基本的散射过程是“瑞利散射”，其特征是散射强 度正比于1 4 。正因如此，目前光纤通信的光源波长逐步向长波长发展。 当光纤中传输的光功率超过一定值时，还会诱发两种散射：受激布拉曼散 射和受激布里渊散射，引起光纤的非线性损耗。 多模光纤的弯曲损耗是指由于光纤的弯曲，使一部分高阶模从纤芯中辐 射出去，所引起的损耗。光纤的弯曲损耗随着光纤弯曲的曲率半径的减小 呈指数增大，当曲率半径小于某一个f 临界值r 。时，所引起的损耗将大至不 能忽略的量级。对于多模光纤，r 。a 1 0 c m ，对于单模光纤，弯曲损耗主要 是基模l p o 】模的功率泄漏所致，其临界曲率半径r 。可近似表示为： 吣z 。* ，a s o 嗡玎 眨 除上述的三种光纤损耗机理之外，在实际光纤中，包层之外的涂覆层也 塾坚堡王盔兰堡主堂垡笙塞 一 会产生附加损耗，这是因为导模的功率( 尤其是高阶模) 有相当一部分是 要在包层中传输的，如果涂覆层材料折射率与包层材料折射率相近，这部 分光功率就会进入涂覆层中，而涂覆层材料的损耗是非常高的，这就带来 导模光功率的损耗。 以上介绍的是光纤的基本传输原理及损耗机理，掌握这些对光纤的应用 ( 无论是光纤通信、还是研制光纤传感器) 来说是很重要的。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章光纤应力传感器的原理与研制 3 1 概述 3 1 1 光纤传感器的定义和基本原理 光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导。所谓波导是指能够约束并 导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传输的传输介质【1 。光纤的基本 结构主要包括纤芯和包层两部分，纤芯由高折射率材料制成，是光波的传输 介质；包层折射率比纤芯稍低一些，对光波导起约束作用。光纤主要应用于 作长距离通信的传输介质，显然在这类应用中，光纤传输的信号受外界干扰 越小越好。但是，在实际的光传输过程中，其表征光波的特征参量( 振幅、 相位、偏振态、波长) 因外界因素( 如温度、压力、位移、电场、磁场) 作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理 量，光纤传感器的基本原理可以从图3 1 来理解。 ( 光纤传感器敏感调制区) 图3 1光纤传感器原理示意图 武汉理工大学硕士学位论文 在光纤中传输的光波可用如下式的方程描述： e = e o c o s ( t + 击)( 3 1 ) 式中，e 。为光波的振幅：w 为频率：由为初相角。式( 3 1 ) 中包含五个参 数，即强度e 0 2 、频率( i ) 、波长1o = 2 c ( _ ) 、相位( ( ) t + 由) 和偏振态，被测 量在敏感调制区内与光发生作用，改变光的表征参量，从而实现外界物理量 与光的特征参量之间的一一对应关系。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参量测量达7 0 余种| l 。然而，无论是探测那种物 理量，其工作原理都是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，从而得到被测量。光纤传感器从本 质来看是一种器件，在外界物理量、化学量、生物量、生物医学量或其他类 似因素的影响下，光纤中光波导的会发生变化。具体讲，就是将一光源发出 的光学性质保持不变的光通过某种固定的耦合方法入射到光纤，然后进入调 制区，最后由从同一光纤或不同光纤还回。 根据调制区的不同，光纤传感器可分为传感型和传光型。利用外界物理 因素改变光纤中的光强度( 振幅) 、相位、偏振态或波长( 频率) ，从而对外 界因素进行计量和数据传输的，称为传感型( 功能型) 光纤传感器。它具有 传感和传输合为一体的特点，信息的获取和传输都在光纤中。传光型光纤传 感器是指利用其他敏感元件测得物理量，由光纤进行数据传输。它的特点是 充分利用现有的传感器，便于推广应用。各具调制方式的不同光纤传感器 可以分为光强调制、相位调制、偏振态调制及波长调制等几种方式。 3 1 2 光纤传感器的特点 与传统的传感器相比较，光纤传感器有许多优特点： ( 1 ) 敏度高，如利用光的干涉原理的法布里一珀罗( f a b r v p e r o t ) 型 光纤传感器分辨率高达o 0 0 6 8u 。 ( 2 ) 电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器是利用 光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕电磁干 扰、也不影响外界电磁场，并且安全可靠。 ( 3 ) 重量轻、体积小、柔性好、可以弯曲，可以将光纤制成形状各异、 尺寸不同的各种光纤传感器，很适合于航空、航天以及狭窄的空间利用。 ( 4 ) 测量对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速 武汉理工大学硕士学位论文 度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电场、电压、杂质含量、 液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 ( 5 ) 对被测量介质影响小，这对医药生物领域的应用极为有利。 ( 6 ) 便于复用，便于构成网络。有利于与现有的光通信技术组成遥测 网和光纤传感网络。 ( 7 ) 成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有的同类产品。 光纤传感器具有这些优良特性，主要是由光纤本身的特性决定的，进入 或离开敏感区的调制信号与电没有任何联系，避免了许多干扰。光纤传感器 的优特点使它能够解决用其它技术难以解决的测量问题，如在强电磁干扰环 境中，电流和电压的测量；在外科手术中，病人血液中化学成分的测量；在 极高强度的电热和微波加热的辐射场中，温度等参数的测量。而光纤本身具 有重量轻的特点使它在航空领域发挥巨大的作用，下一代的飞机将极有可能 只采用光纤传感器来控制飞行。正是由于光纤传感器具有这些传统的传感器 所没有的优特点，很适合于桥梁等大型建筑物的状态监测，所以，本科题中 以光纤作为突破口，开发新的传感器来监测这些大型建筑物的实时状态。 3 1 3 光纤传感器的响应函数一般描述 由于沿光纤传输线的众多因素都能影响光纤传感器的最终输出，因此，如 何描述这些因素产生的影响是十分重要的。要精确描述光纤传感器的响应函 数必