（机械设计及理论专业论文）基于多芯结构的光纤传感器研究.pdf

基丁二多芯结构的光纤传感器研究 摘要 对与许多结构物，由于在载荷的作用下会发生弯曲和扭转，有时还伴随 着温度热膨胀带来的影响。“智能结构”可主动矫正或补偿这些弯曲或扭转， 因而常常需要测量或监测这些连续结构的弯曲形变和扭转。在连续结构物中， 结构梁的变化通常是由于弯曲和扭转而产生的，这样就需要对弯曲和扭转进 行优化组合测量。常规的做法是借助于梁的上下两个应变片就可以测量弯曲， 这是电子学采用的测量方法。这些传感器既可以表面粘贴，也可以埋入结构 内部。 一方面，这种结构物需要进行弯曲形变、扭转和温度梯度等多参数测量。 另一方面，一段四芯光纤的远场干涉图会对弯曲形变、扭转和温度梯度这些 参量变化给出响应。本工作的目的就是建立起二者的联系。四芯光纤作为四 光束单根光纤干涉仪可以自动补偿由于温度热膨胀所带来的影响，仅对绝对 弯曲、扭转和温度梯度敏感。从而导致远端干涉光场格子图的移动或旋转。 本文在国外多芯光纤领域的研究成果的基础上，深入研究了多芯光纤的 结构和特性，以及在传感器领域的应用，提出了用多芯光纤构造多种传感系 统的设想。自行设计并研制了三种基于新型多芯光纤的传感器，通过大量实 验测量，获得了这三种传感单元的技术参数。从多芯光纤的出射光场干涉图 入手，建立了理论模型，分析了每个传感单元的特性，从实验上验证了理论 模型的正确性。 本文的主要工作包括：设计并实现了几种新型多芯光纤，对其几何结构 参数进行了测量；开展了多芯光纤远场干涉特性的研究；进行了多芯光纤温 度梯度传感器的理论与实验研究；建立了多芯光纤弯曲与应变传感器的理论 模型并给出了实验结果。讨论了多芯光纤扭转传感器的可能方案，进行一系 哈尔滨工程大学博七学位论文 列实验测量与分析。 研究结果表明，多芯光纤温度梯度传感系统能够完成对温度变化的监测； 弯曲与应变传感系统能完成对物体受压力等外力作用下的形变程度的测量； 在9 0 度测量范围内，扭转传感系统在完成对旋转角度大小测量的同时，还具 有辨别旋转方向的功能。通过二芯光纤和四芯光纤的实验我们发现，二芯光 纤的出射光场干涉图案是条纹，对于扭转传感测量更加方便，四芯光纤的出 射光场干涉图是有规律排列的正方形网格，方便于弯曲与应变传感系统的测 量。 关键词：多芯光纤；干涉；温度梯度；弯曲传感器；扭转传感器 基于多芯结构的光纤传感器研究 a b s t r a c t m a n y s t l u c t u t e se x i s tt h a ts h o u l di d e a l l yb er i g i d , b u tw h o s ep e r f o r m a n c ei s l i m i t e db yd e f o r m a t i o nd u et ol o a d i n g o f t e n , c o r r e c t i v ea c t i o nc a l lb et a k e ni f t h e d e f o r m a t i o ni sk n o w n f o re x a m p l e “s m a r ts t r u c t u r e s h a v ed e m o n s t r a t e dt h eu s e o fa c t u a t o r st oc o m p e n s a t ef o ru n w a n t e ds h a p ec h a n g e s i nc o n t i n u o u ss t r u c t t e s ， c h a n g e s i nl e n g t hd u et ou n i f o r ms t r a i na n dt h e r m a le x p a n s i o nc a l lb es i g n i f i c a n t h o w e v e r , m o s to ft h ev a r i a t i o ni nt h eo v e r a l ls h a p ei sd u et ob e n d i n g , t o r s i o n c r e a t i n ga n e e df o rs i 。i i s o r ss p e c i a l l yo p t i m i z e df o rt h em e s s u r c m e n to fb e n d i n g a n dt w i s t i n g b e n d i n gab e a mp r o d u c e sal i n e a rg r a d i e n ti ns t r a i nt h r o u g ht h e t h i c k n e s so f t h eb e a m l o c a lc u l 、，a t i l r ec a l lt h e n b ed e r i v e df r o mt h ed i f f e r e n c ei n s t r a i nb e t w e e nt w os t r a i ng a u g e s 丘x c dt oo p p o s i t es i d e so ft h eb e a m ；t h i si st h e b a s i st y p eo f e l e c t r i c a lg o n i o m e t e r t h e yc l l nb en l a d eb ya d h e r i n gt w of i b e ro p t i c s t r a i ns e n s o r st oe i t h e rs i d eo faf l e x i b l em e m b e r , o r 咖b c d d i n gt h e mb o t l li nt h e m e m b e r t h eo b j e c t i v eo ft h i sw o r ki st od e s c r i b eam u l t i p a r a m e t e r sr e l a t i o n s h i p b e t w e e nas e g m e n tf o u r - c o r ef i b e r sc u r v a t u r e t w i s t i n ga n g l ea sw e l la sa m b i e n t t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h ef a r - f i e l di n t e r f e r o g r a mo ft h ef i b e r t h ef o u r - c o r e f i b e ra c ta saf o u r - b e a mi n t e r f c r o m e t e ri nw h i c hp h a s ed i f f e r e n c e si saf u n c t i o no f c u r v a t u r e ，t w i s t i n ga n g l e ，a n dt e m p e r a t u r e g r a d i e n ti nt h ep l a n ec o n t a i n i n gt h e c o r e sr e s u l t si nt h es h i f to rr o t a t i o no f t h ef a r - f i e l di n t e r f e r o m e t r i e 面dp a t t e r n b a s e d0 1 1t h ef o r e i g n e rr e s e a r c hr e s u l t so fm u l t i - c o r eo p t i c a lf i b e r , t h e m u l t i - c o r eo p t i c a lf i b e rs i i u c t u sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca sw e l la si t sa p p f i e a t i o n s i nf i b e ro p t i cs c l l s o r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n dd e m o n s t r a t e d t h r e ek i n d sf i b e r 哈尔滨t 程大学博七学位论文 o p t i cs e n s o r sb a s e do nt h em u l t i - c o r et ! i b e rh a v eb e e np r o p o s e da n dd e s i g n e d i n c l u d ef i b e ro p t i ct e m p e r a t u r eg r a d i e n ts e n s o r , b e n d i n go rs u a j ns e n s o ra n df i b e r o p t i ct w i s t i n ga n g l em e a s u r i n gs e n s o r e a c hs e n s o r ss e n s i n gt h e o r e t i c a lm o d e l w e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ef a r - f i e l di n t e r f e r e n c ef r i n g ep a r e m e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ea l s oc o n f i r m e dt h i s i nt h ep r e s e n tw o r k , as e r i e sn o v e lm u l t i c o r ef i b e rh a sb e e nd e s i g n e da n di t s g e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h e s es p e c i a l f i b e r ss u c ha sc a ) r ed i a m e t e r , s e p a r a t e d i s t a n c e sb e t w e e nn e i g h b o rc o r e sa r em e a s u r e d 1 1 垃f a r - f i e l di n t e r f e r o g r a m c h a r a c t e r i s t i c so f t h em u l t i c o r ef i b e r sa r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l n ef i r s tc a s ei sa f i b e ro p t i ct e m p e r a t u r eg r a d i e n ts e n s o rb a s e dt h ef o u r - c o r ef i b e ra r es e t u pa n d s t u d i e d 1 1 1 es e c o n do n ei sam u l t i - c o r ef i b e r - b e n d i n gs e n s o rt om o n i t o r i n gt h e s t r u c t u r e sc h r v a t u r eo rs t 阻i n t h en l i r di st h em u l t i - c o r ef i b e ro p t i ct w i s t i n g a n g l e - d e t e c t i n gs e n s o l a c c o r d i n gt o t h e s e n s i n gt h e o r e t i c a lm o d e l ，as e r i e se x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e di no u rl a b o r a t o r y n e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w nt h a tt h e p e r f o r m a n c e so f a l lt h et h r e es e n s o r sa l ew o r k i n gi nal i n e a rm f l m l 盯a tt h er a n g e o f9 0d e g r e e ，t h et w i s t i n gs e b s o rn o to n l yt w i s t i n ga n g l e ，b u ta l s ot h et w i s t i n g d i r e c t i o nc f l l lb em e a s u r e d c o m p a r i n gw i t ht h et w o - c o l ef i b e r 船n s o rf u n c t i o na s t h es a n l et w i s t i n gd e t e c t i o n , i ti sf o u n dt h a tt h et w o - c o r ef i b e rr e s u l t si nf r i n g e p a t t e r nm u c he a s yt or e c o g n i z e dt h e nt h e 鲥dp a t t e mg i v e nb yt h ef o u r - c o r ef i b e r k e y w o r d s ：m u l t i - c o r ef i b e r ；i n t e r f e r e n c e ，g r a d i e n to f t e m p e r a t u r e ，b e n d i n gs e n s o r , t w i s t i n gs e n s o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 等 ) ，岛 鼽 唯 签 加 滏 犰 者 麟 作 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的目的与意义 1 1 1 光纤传感器概况 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。 光纤传感器可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力“卅、应变 。1 、光谱吸收嘲、温度协埘、折射率“1 、速度蚴、加速度等，还可以完成现 有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压 的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。在生物化学“”“环境“”和各 种监测领域中也有广泛应用，包括钢体安全“”、裂缝监测“删、p h 值测量乜1 、 抗体监测气体监测睁剐、混凝土明化合物监测等。 目前，国际上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用 开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域 发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得 产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离， 因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感 器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广 泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝 缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想 哈尔滨t ：程大学博十学位论文 而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优 势，f b g 和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。如，对于光纤光栅传 感器而言，当前的原理性研究热点集中于光纤光栅2 ”5 1 ( f b g 和l p g ) 型传 感器的解调技术和分布式光纤传感系【3 6 1 统这两方面。 f b g 型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百 家争鸣阶段。目前成熟的f b g 制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的 焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方 向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性， 使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤 传感器与生俱来的优点。 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光( 纤) 层析成像技 术( o c t ，o p t ) 、智能材料( s m a r tm a t e r i a l s ) 、光纤陀螺与惯导系统 ( i f o g ，i m l u ) 和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的 带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然 未完成由实验室向产品化的过渡。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛， 并未象光纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传 感器产品( 如交通管理、警报装置等) 和大量的测试仪器依然依赖于进口， 亟待发展的空间非常广阔。 1 1 2 多芯光纤概况 随着光纤技术的不断发展，各种新型结构光纤也日益得到发展，出现了 二芯m 侧、四芯“1 、六芯等多芯光纤。由于它们的纤芯间距很小具有很多优 良特性，可以很方便的搭建稳定紧凑的实验设备，实现莫尔干涉光场。四芯 光纤干涉图样为正方形分布的光斑，很容易实现莫尔编码，这对四芯光纤在 2 第1 章绪论 用于光纤传感方面提供了很大的优越性。如果是高双折射率保偏光纤，还可 通过控制四个纤芯的偏振角来调节调制度。在一些早期的这类报道中以双芯 光纤为基础的装置的潜力早已经被人得到了认同。现在，双芯光纤以各种方 式应用到各种各样的装置中，比如：超快反向开关或者是可调方位的耦合器 彻和那些关于失谐或旋转的二芯光纤。二芯光纤的波长选择耦合特性被广 泛认同并以各种方式得到广泛的应用。在早期的报道中，用不同光纤中的传 播常数的不同传播特性来产生了一种相对的宽带波长选择耦合器。在旋转二 芯光纤中的光能量与周期性变化的波长之间存在能量交换。 多芯光纤的概念，早在上世纪7 0 年代末就被提出，目的是为了同时解 决降低光纤光缆的制造成本和开发高密集度大芯数光缆这两大难题。但是直 到上世纪9 0 年代，随着光纤制造技术的不断发展和完善，使得多芯光纤在制 造过程中，内残余应力不断降低，机械强度和可靠性提高，才逐渐发展到实 用化、商品化的阶段”1 。多芯光纤除用于制作高密度光缆外，在光纤通信和 光纤传感领域还具有许多其他用途，利用多芯光纤进行能量泵浦，可以制造 大功率的光纤激光器，将稀土元素掺入多芯光纤中，可以改善光纤放大器的 增益均衡特性；利用双光束干涉效应可以构成多种器件，例如：光纤滤波器 4 f l 、光开关h 7 】，光波分复用器、光分插复用裂删；利用多芯光纤进行能量泵 铺，可以制造更大功率的光纤激光器，将稀土元素掺入多芯光纤中，可以改 善光纤放大器的增益均衡特性【4 9 】；利用多芯光纤构成光纤干涉仪，还可以对 应变5 川和弯曲【5 1 1 等多种参量进行测量，这是本论文的意义之所在。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 光纤传感器的国内外研究状况 美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域 3 哈尔滨t 程大学博七学位论文 的应用方面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，他们研究和开发的产品 主要包括水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、 用于核辐射检测的光纤传感器等。这些研究都分别由美国空军，海军、陆军 和国家宇航局( n a s a ) 的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。 美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监 测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力 变化。“”，检测肉类和食品“”的细菌和病毒等。美国的很多大学、研究单位 和公司都开展了光纤传感器的研究和开发。据统计，1 9 9 3 年以后，美国光纤 传感器的销售总额每年以3 0 4 0 的增长速度发展，到2 0 0 0 年达到1 0 0 亿美 元。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己向民用领域转 移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开 发。日本在8 0 年代制定了“光控系统应用计划”，计划旨在将光纤传感器用 于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输 和生产过程的控制。日本有松下、三菱、东京大学等2 4 家著名的公司和大学 从事光纤传感器研究。从1 9 8 0 年7 月到1 9 8 3 年6 月，申请光纤传感器的专 利达4 6 4 件，涉及1 1 个领域，其中光纤位移传感器8 0 件、光纤气体传感器 6 5 件。日本松下电器公司生产的光纤电流( 磁场) 表、光纤电压表和光纤温 度计己进入市场。磁场测量范围上限为4 7 0 0o e ，电压上限为2 2 0 v ，测量精 度都为l ；温度测量范围为1 0 - + 4 0 ，测量精度为士0 0 5 。9 0 年代，由 东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机构，研究开发出1 2 种具有一流水平的 民用光纤传感器，其中最有代表性的是波长扫描型光纤温度传感器。它是光 纤传感器网络系统，可把分散在工厂各场所的信息进行时序化处理，并以全 光方式收集。这种网络装置可连接1 0 0 0 个以上的传感器，其数据更新周期在 4 第1 章绪论 1 米秒以下。由于该网络系统不使用电气器件，安全防爆，特别适合于炼油 厂、化工厂的各种过程控制系统。该系统实际上是集光纤材料、光纤传感器 件、计算机网络等高新技术于一体，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。 西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究与开发和市 场竞争。英国政府特别是贸易工业部( d t i ) 十分重视光纤传感器技术，早 在1 9 8 2 年由该部为首成立了英国光纤传感器合作协会( o s c a ) ，到1 9 8 5 年 为止，共有2 6 个成员，其中包括s i r a l i d 、中央电气研究所，d e l t a 控制公司、 帝国化学工业公司、英国煤气公司、t a y l o r 仪器公司、标准电信研究所及几 所主要大学。英国中央电气研究所研制的高压光纤电流测量装置，伦敦大学 研究的光纤陀螺、水声器，曼彻斯特大学研制的光纤传感器和无源多路测量 系统，牛津大学研究的光全息以及南安普敦大学和y o i l 【公司联合研究的低双 折射光纤、高双折射光纤、激光光纤、光学无源器件、光纤测试仪器等都有 很高的水平。1 9 8 3 年，英国在曼彻斯特举行的欧洲传感器展览会上展出了用 于压力、温度、速度测量的传感器，全光纤干涉仪以及适用于危险地区、电 磁噪声恶劣的环境作过程控制用的高分辨率长冲程位移传感器。 德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次于美国而居世界第二位，西门子 公司早在1 9 8 0 年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。法国的汤姆逊公 司和德国的西门子公司等也开展了光纤传感器的研究工作。 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不 远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，在光纤温度传感器、压力计、 流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项 科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先 进水平。与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商 品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产 哈尔滨工程丈学博十学位论文 和工程化应用，远远满足不了市场需求。与发达国家相比，光纤传感器的市 场销售额占我国传感器销售额的比例十分低下，特别是在光纤传感器的共性 基础技术、中间试验技术、生产装备技术方面尤为突出，很难实现光纤传感 器产品的产业化，表现出“研究单位多、生产单位少、研究成果多、商品化 产品少、技术水平高、产品质量低”的状况。 1 2 2 多芯光纤国内外现状 早在7 0 年代末，国外就提出了用多芯光纤。“1 制造高密集度光缆的设想。 但是，由于当时的制造技术不完善，光纤受到残余应力的影响，机械强度低， 可靠性差，未能发展到实用化、商品化。进入9 0 年代，光纤通信在f 删( 即 光纤到家庭) 方面的发展遇到费用较高的障碍，受到铜线的强烈竞争。为克 服这个障碍，必须大幅度降低光纤光缆的制造成本。 1 9 9 4 年，法国电信公司提出了多芯单模“”光纤的新概念。设计了四芯单 模光纤，于1 9 9 4 年7 月制造了1 0 0 多公里，并用这些光纤进行了不同芯数各 种结构的光纤带光缆和非光纤带光缆的成缆实验，与用普通单芯光纤的情况 相比，光缆密集度提高了很多倍。初步证实了所提出的多芯单模光纤能够同 时解决降低光纤光缆的制造成本和开发高密集度大芯数光缆两大难题。 此后，法国电信公司和阿尔卡特公司都进行了四芯单模光纤的研究和开 发( 阿尔卡特公司的四芯单模光纤称为m c f ，法国电信公司的称为f 4 c ，在 下文将统称为m c f 4 ) ，从光纤设计、预制棒制造、拉丝技术、光纤特性、 成缆工艺到四芯同时熔接、机械连接以及每一芯的分出和端接与普通单模光 纤等方面都进行了全面研究，现已取得很大进展。法国电信公司制作的 m c f 4 型多芯光纤，其外形为梅花瓣结构如图1 1 ( a ) 所示，缺点是端面处 理和连结时附加损耗较大。随后该研究小组，又利用n a s a 提供的芯内掺硼 的高光敏四芯光纤如图1 1 ( b ) 所示制成光纤光栅后，对多芯光纤的横向载 6 第l 章绪论 荷进行了研究。 ( a ) 法国电信生产的m c f - 4 型多芯光纤( b ) n a s a 制作的高光敏4 芯光纤 图1 1 两种不同结构的4 芯光纤 f i g 1 1f o u r - c 0 o p t i cf i b e ro f t w ok i n d so f d i f f e r e n ts l n k 帆l f e 2 0 0 0 年，英国h e r i o t - w a t t 大学的研究小组第一次在四芯光纤的两个分 一 立芯中写入光纤光栅嗍，目的是发展一种在工程结构中使用的准分布式光纤 弯曲传感器，其弯曲测量灵敏度为4 8 9 p m m - 1 。 目前，每米每芯的成本为0 0 3 美元，而普通单模光纤的每米成本为0 0 5 5 美元；安装费用与铜对绞线的情况相同。可以说，法国的m c f - 4 正向实用化 发展。下面简介该新型光纤的技术经济优势： ( 1 ) 有利于制造高密集度大芯数光缆 法国电信和阿尔卡特公司都利用所研制的m c f - 4 进行了大量成缆实验， 包括不同芯数、各种结构的成缆实验。这些试验证明，用m c f - 4 成缆，不需 作为特殊光纤对待，甚至成缆人员仅知道所用的是m c f - 4 。用m c f - 4 成缆， 与用普通单芯光纤成缆相比，密集度大大提高，光缆芯数越大。密集度提高 的效果越显著。法国电信成缆的芯数较多，达1 1 5 2 芯。 ( 2 ) 有利于全面降低光纤光缆成本 据法国电信的研究，在光纤生产方面，以每根预制棒可拉2 1 0 k m 光纤的 生产水平为基准，以m c f , - 4 的每芯每米的成本与普通单模光纤的每米成本比 7 哈尔滨下程大学博士学位论文 较，生产成本可降低约5 0 ；在成缆方面，以用m c f 4 的每米缆每芯的成 本与普通单模光纤的每米缆每纤成本比较，生产成本可降低6 0 0 以上。在光 缆线路的敷设施工方面，利用m c f - 4 光缆还可节约3 7 的费用。 1 3 本课题的主要研究方案与研究内容 正如前面所提到的，采用多芯光纤制作技术是研制高密度大芯数光缆的 一个大胆设想。而如何将多芯光纤用于传感技术领域，则是本文的主要工作。 本文共分为七章，其中第二章到第六章是我们的主要工作。 第一章为绪论部分，对光纤传感器的发展概况和多芯光纤的概况进行了 介绍，同时还介绍了多芯光纤和光纤传感器国内外的研究现状，提出了本论 文研究的目的与意义。 第二章简要介绍了多芯光纤的结构设计与基本制造工艺和制作方法。在 此基础上讨论了以四芯光纤为例的多芯光纤几何参数测量结果。 第三章从理论上分析了多芯光纤的传输模式，对多芯光纤远场干涉特性 进行了研究，通过莫尔干涉理论我们建立了多芯光纤远场干涉模型，给出了 四芯光纤干涉光场强度表达式并进行了相关实验。 第四章我们自行设计了基于多芯光纤的温度梯度传感器，建立了理论模 型，给出了干涉光场格子与温度差之间的对应关系，并介绍了该系统的测量 方法，通过大量实验数据总结了该传感器的技术特点。 第五章我们自行设计了基于多芯光纤的弯曲与应变传感器，建立了弯曲 与应变传感理论模型，给出了干涉光场与弯曲曲率半径之间的关系，介绍了 此系统的制作方法和测量方法，分别用四芯光纤和二芯光纤进行了大量实验， 验证了多芯光纤弯曲与应变传感的理论设想。 第六章我们自行设计了基于多芯光纤的扭转传感器，介绍了该扭转系统 第1 章绪论 的工作原理，建立了该系统的理论模型，给出了干涉光场与扭转角度之间一 一对应的关系，用四芯、二芯光纤进行多次实验，验证了理论推导。 第七章对本文工作进行了总结，包括所取得的研究成果和需要改善的措 施，以及对未来的展望。 9 哈尔滨下程大学博十学位论文 第2 章多芯光纤的设计与制作 2 1 光纤制造工艺简介哺” 光纤是用高纯度的玻璃材料制成的。按玻璃内所含化学元素组分的不同， 大体可分为以石英玻璃( s i o ，) 为主体的石英系光纤和普通的多分组玻璃光 纤二类。普通的多组分玻璃是在s i o ，中含有较多成份的碱金属氧化物和硼、 铝等氧化物。它的熔融温度比石英玻璃低得多。制备成光纤后的抗拉强度， 也偏低些。本节重点介绍石英光纤的制造工艺。 制造光纤时，一般先熔制出一根合适的玻璃棒，如图2 1 所示。 、 o i 、， 】 ( b ) ( a ) 玻璃棒( b ) 由棒拉成丝 图2 1 制备纤维的工艺示意图 f i g 2 1t e c h n o l o g i cs k e t c h m a p o f p r e p a r a t i o n s f o r t e x t i l e f i b e r s 以制造突变( 阶跃) 光纤为例，玻璃棒的包皮层和芯层的主体材料都是 石英玻璃，即熔融的透明状态的二氧化硅( s i o ：) 石英玻璃的折射率 = 1 4 5 8 。欲使光在光纤纤芯中的折射率稍高于包层中的折射率，在制备芯玻 璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，使芯层折射率为啊；在制 1 0 第2 章多芯光纤的设计与制作 备包皮层玻璃时，也要均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，使包皮 层的折射率为啦。这样，玛 辟：，就满足了光在纤芯中传输的要求，这就制 成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒，或称作光纤的 坯棒。然后，把这预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，以相似比例的尺寸， 拉成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯和包皮的厚度比例及 折射率分布，与原始的光纤预制棒体材料完全一样，这很细的玻璃丝就是我 们所需要的光纤。 2 2 多芯光纤的结构设计 多芯光纤的共同特点是光纤有多个纤芯，共用一个包层，图2 2 给出了 我们自己设计的几种多芯光纤，包括二芯、三芯、四芯、五芯、七芯光纤， 其中三芯和四芯的纤芯排列有几种不同方式，因此这些光纤的出射光场干涉 图案也大不相同，根据具体的实验需要，可以有选择性的选择不同纤芯数目， 不同排列方式的光纤。 ( a )( b )( c ) 图2 2 多芯光纤 f 培2 2m u l t i - c o r eo p t i cf i b e r 本课题中主要研究二芯、四芯光纤在传感方面的应用对于光学相干长 度较短的l d 光源，为了获得较好的远程相干光场，同时又不至于在光程匹配 l l 哈尔滨工程大学博十学位论文 的过程中引入较大的光程差，我们自行设计制作了芯间距较小的四芯光纤， 并实现了l d 光源的远程干涉。实验中所用的四芯、二芯光纤的横截面图如图 2 2 ( a ) ( c ) 所示。 四芯光纤有四个纤芯，只有一个共同的包层，这四根独立光纤芯以正方 形的形式排列并置放于正方形的四个角上，每个纤芯都可以作为一个独立的 导模，光纤含包层的直径为1 2 5 m 。在这种特殊光纤的制作过程中，四个纤 芯必须严格的置于正方形的四个角上以保证最大可能的条纹可见度。 在光纤的设计过程中，考虑到通常所用的波长6 5 0 n m 的l d 光源，其相干 长度仅为数毫米。因此，四芯光纤芯直径取为3 7 肿，芯间距选为1 8 肿，双 芯光纤纤芯直径4 岬，芯间距6 2 5 p i n 。较近的芯间距的优点是可以使得光纤 弯曲的长程累积尽可能的小，便于保持短相干光源的长程相干性。 在光纤干涉系统中光纤耦合器是用来产生多路相干源，以便产生干涉图 案的，用多芯光纤实现的系统少了光纤耦合器也可以产生干涉图案，因此系 统的规模和成本都显著的降低了。再者用多芯光纤来实现的系统不需要为控 制偏振化方向而将所有的光纤的末端呈一定规律排列，而其它以光纤为基础 的光纤干涉装置中这是一个很麻烦的步骤。小型紧凑化的多芯光纤的应用保 证了高清晰和较稳定的干涉图案，它的这些优点能在恶劣的环境中工作。 2 3 多芯光纤的拉制工艺 多芯光纤是采用多纤芯嵌入光纤预制棒技术或多坩埚技术拉制而成的。 这种光纤具有两个以上的个自独立的纤芯。在同一包层内，可以包含很多光 纤芯。 这种多芯光纤与标准单芯光纤的制作工艺不同，主要有两种制作技术。 一种是采用多纤芯嵌入光纤预制棒技术。这种方法除了预制棒制作工艺不同 1 2 第2 章多芯光纤的设计与制作 外，其光纤拉制方法与普通标准光纤的拉制过程相同。另一种称为多坩埚技 术。每一个纤芯都是从独立的内坩埚中引出的，纤芯的多少及其相对应位置 通过纤芯内坩埚来加以调整，外坩埚引出的是包层材料。这样多个内坩埚引 出的纤芯线被外坩埚包层材料所包裹，共同拉出的即是所谓的多芯光纤。 多芯光纤拉制的工艺有两种：一是用预制棒直接在高温炉中加温软化拉 制光纤；二是在芯层玻璃的棒体上套上外包层的玻璃管，然后送入高温炉中 加温软化拉制成光纤。 把预制棒拉制成很细的光纤，并能保持预制棒原有的折射率分布形式和 原有的芯层和包层外径的比例。这是因为玻璃中的分子扩散要比晶体中难得 多，即使加热到2 0 0 0 的高温去熔融预制棒，已掺入棒体中的g e o2 和珏2 0 3 等掺杂剂也不会扩散，进而仍保持原来预制棒中的折射率分布，这一特点对 拉制光纤非常有利。 预制棒拉制成光纤的示意图见图2 3 所示。当预制棒由送料机以一定的 速度均匀地送往管状电阻加热炉中，当预制棒尖端被加热到一定程度时，棒 体尖端材料的黏度变低，靠自身质量逐渐下垂变细而成为纤维。在拉丝过程 中，激光束线径测量仪对光纤的直径进行在线测量，并经线径控制电路等实 时控制送料机构的送料速度和牵引辊的收丝速度，实现闭环监控，以保持光 纤外径的均匀性。质量好的拉丝机配上高精度的拉制机构，可使光纤外径的 波动控制在l l a m 之间。拉丝机的拉丝速度( 即牵引轮的速度) 可用下式表 刁阿： 圪：等 ( 2 - 1 ) 式中 圪为拉丝机的拉丝速度； 哈尔滨t 程大学博七学位论文 珞为预制棒送入拉丝炉中的速度； d 为光纤的直径； 为预制棒的直径。 如果在预制棒外面加上套层玻璃管进行拉丝，则拉丝机的速度可用下 式表示： 式中氟为套管的外直径； 以为套管的内直径。 圪= 垡幽d 2 ( 2 2 ) 送预制棒 图2 3 拉丝装置的构成 f i g 2 3c o m p o s i t i o no f t h ed r a w b e n c he q u i p m e n t 1 4 第2 章多芯光纤的设计与制作 拉丝高温炉一般使用石墨电阻炉，为防止石墨在高温下氧化，通常是在 氩气一类的惰性气体中把预制棒加热到高温。炉内惰性气体气流紊乱，是导 致炉内温度变动的原因，所以要对通入炉内的惰性气体的流量进行控制，以 便使炉内温度稳定。拉制石英光纤的速度，一般在3 肚1 0 0 m i i l i n ，高速的可 达3 0 0 m r n i n 。 拉制石英光纤，除了用上述的石墨电阻加热法外，还有石墨高频感应加 热法、氧化锆加热法、大功率二氧化碳气体激光器加热法等。 2 4 基于c c d 的几何参数测量1 1 2 4 1 光纤的几何参数及其测量 光纤的几何参数是最基本的参数，它们除对光纤的传输特性能和机械性 能有影响外，还对光纤的连接损耗产生很大影响。它们是光纤物理尺寸制造 的依据。在光纤制造过程中要严格控制光纤的几何尺寸，而且对产品要进行 认真的测量。 按照c c i t t 及i e c 的推荐：多模光纤的几何参数包括纤芯直径、包层直 径、芯不圆度、包层不圆度、纤芯、包层同心度等；单模光纤的几何尺寸参 数包括包层直径、包层不圆度、纤芯、包层同心度误差( 当用模场直径作参 数时，应是模场包层同心度误差) 。其测试方法有折射近场法、近场法、显微 镜法等。本文采用了c c d 几何参数测量方法。 2 4 2 基于c c d 的几何参数测量实验 以四芯光纤为例，几何参数的测量采用的方法是用显微镜和c c d 相结 合的测量方法，实验系统图如下： 哈尔滨t 程大学博+ 学位论文 图2 4 几何参数测量系统 f i g 2 4g e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r es y s t e m 图2 5 显微镜与c c d 组合装置 f i g 2 5t h e s e to f m i c r o s c o p ea s s e m b l e dw i t hc c d 实验中，先将光纤端面处理好，套上陶瓷芯后固定在显微镜的平台上， 将显微镜目镜镜头取下，装上自制的与显微镜匹配的c c d ，构成如图2 5 所 示的显微镜与c c d 的组合装置，将光源的光照射到四芯光纤上，此时通过 计算机就可以看到二芯光纤或四芯光纤端面，调节显微镜使观察到的图像最 1 6 第2 章多芯光纤的设计与制作 清晰，采集下此时的端面图样，重复以上操作几次，采集好的图样备用。取 下二芯光纤或四芯光纤，换上已知尺寸的标准光纤，同样采集下端面图样， 将两种光纤端面图样作比较，得到二芯光纤或四芯光纤的几何参数如下： ( 1 ) 二芯光纤 夺纤芯直径d = 3 7 t t m 纤芯间距d = 6 2 6 t t m 包层直径d = 1 2 4 3 t t m ( 2 ) 四芯光纤 纤芯直径d = 3 6 t t m 正方形边距d = 1 7 6 t t m 包层直径d = 1 2 1 3 p , m 2 5 本章小结 本章简要介绍了多芯光纤的结构设计与制作工艺，讨论了多芯光纤预制 棒制作方法、光纤的拉丝技术及工艺。简单介绍了光纤几何参数测量方面的 内容，最后给出了实验测得的四芯光纤的几何参数值。 1 7 哈尔滨_ t 程大学博士学位论文 第3 章多芯光纤远场干涉特性 3 1 多芯光纤的传输模式特性分析 3 1 1 多芯光纤与光源的耦合 光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性 能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。无论是半 导体激光器( l d ) 或半导体发光二极管( l e d ) 产生的光信号，都必须考虑如何 耦合到光纤芯区的问题。一般来说，将光源的不对称发射光束与圆对称的光 纤进行最优耦合，需要在光纤与光源之间插入透镜，即所谓直接耦合，在技 术上比较简单，但耦合效率较低。如何提高耦合效率，则是光纤通信与光纤 传感所共同关心的问题。多芯光纤与光源的耦合采用的是直接耦合方式。 3 1 2 多芯光纤任意纤芯出射光场测量 单模光纤的模场分布呈高斯型分布，如图3 1 所示。从光纤的横截面上 看，中心光强最大，向外逐渐减弱，并且光线不仅在纤芯中传播，同时还有 少部分在包层中工作。 j。 j 。 ， 图3 1 单模光纤中光场强度的分布 f i g 3 il i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i n gi ns i n g l ep a t t e r no p t i cf i b e r 对于多芯光纤而言，通过对这种光场分布的观察及分析可以了解光纤内 1 8 第3 章多芯光纤远场干涉特性 部的模式分布，有助于设计各种光纤传感系统，设计各种光纤耦合器件等。 有很多方法可以对光纤的出射光场进行测量，本节介绍采用c c d 进行光 纤出射端场的测量、观察及分析。并利用数据拟合的方法，得出光纤出射端 光场的空间分布函数。 下面以四芯光纤为例介绍具体实验步骤。 1 实验准备 用酒精对光纤断面进行轻拭处理，以除去灰尘等( 此步骤也是下文传感 器实验的实验准备步骤，那里将不再重复) 。 ( 1 ) 将光纤的外层护套去掉，露出无色的光纤主体。利用光纤剥线钳剥 去光纤的涂层，露出裸纤。对大口径光纤应采用对应尺寸的光纤剥