（物理电子学专业论文）光纤传感的应用研究.pdf

中文摘要 伴随的光通信的兴起，光传感以其独特的技术特点，在许多领域得到应用， 解决了常规检测技术难以胜任的问题。特别是光纤光栅传感技术和利用光时域反 射仪的分布式传感技术，发展十分迅速，成为了智能结构和材料的基础技术之一。 本论文主要内容为光纤光栅传感和光纤智能结构技术的有关研究，主要工作 如下： 一理论分析 1 对当前光纤传感的主要技术手段进行了研究和论述，对传感用的光纤、光 源、光纤器件和调制手段作了归纳。 2 研究了光纤光栅和分布式传感的主要特点和应用情况。 3 运用光波导理论分析光纤微弯时，光纤中光功率的损失情况，并推导了近 似计算公式。 4 研究了光纤智能结构中的光纤埋入问题和传感信号的检测方法。 二光纤光栅传感系统研发 1 研制了一台基于半导体光放大器( s o a ) 的宽带光源。 2 设计了等强度梁传感平台，进行了光纤光栅测量微位移和质量的实验。 3 设计了可调恒温盒，进行了光纤光栅测温实验。 3 研制了信号接收检测仪器，通过单片机控制，实现了人机界面监测。 4 通过测量实验获得了传感系统的光强与待测位移、质量及温度的关系曲线， 分辨率分别为o 8 微米，o 1 克，0 1 摄氏度。 三混凝土裂缝检测实验 1 分析了光纤埋入的工艺方法，得到一个较好的粘结剂配比方案。 2 制作了混凝土试件，模拟裂缝生成，并进行了光纤微弯传感实验，得到了 裂缝宽度与光功率损耗的关系曲线。 3 用光时域反射仪( o t d r ) 检测裂缝，得到传感网络上的裂缝的分布曲线。 关键字：光纤传感，智能结构，光纤光栅，光纤微弯，光时域反射仪 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a ls e n s o ri sa p p l i e dt o m a n yf i e l d sf o ri t so w n t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s i ts o l v e dt h ep r o b l e m st h a tt h e t r a d i t i o n a ls e n s o ri sn o tc o m p e t e n tf o r e s p e c i a l l yt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g ) a n dt h ed i s t r i b u t e df i b e rs e n s o rm a k i n gu s eo f t h eo p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t ( o t d r ) d e v e l o pr a p i d l y ，a n dt h e yh a v eb e c o m e t h ef o u n d a t i o nt e c h n o l o g i e so f t h e i n t e l l i g e n ts t r u c t u r ea n d m a t e r i a l t h ep a p e ri sm a i n l yo nt h er e s e a r c ho f t h ef b ga n df i b e ri n t e l l i g e n c es t r u , c m r e ， t h em a i n w o r ki s ： t h e o r y n 则s e 1 a n a l y z et h em a i nt e c h n i q u eo f o p t i c a ls e n s o r , i n c l u d i n gt h ef i b e r , o p t i c a l s o u r c e , f i b e rc o m p o n e n lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e 2 a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f t h ef b g a n d d i s t r i b u t i o n a lf i b e rs e n s o r 3 u s i n gw a v e g u i d et h e o r i e s ，w er e s e a r c ho nt h es i t u a t i o no f t h el i g h tp o w e rl o s s w h e nm i c r o b e n do f t h ef i b e rh a p p e n e da n dw o r ko u tt h ea p p r o x i m a t ef o r m u l a t e 4 a n a l y z et h et e c h n o l o g yo f b u r y i n gf i b e ri n t oc o n c r e t ea n dt h es i g n a l e x a m i n a t i o nm e t h o do f t h ef i b e ri n t e l l i g e n c es t r u c t u r e f b gs e n s o rr d 1 b r o a d b a n dl i g h ts o u r c eb a s e dt h ea s e ， 2 d e s i g nab e a mo f u n i f o r ms t r e n g t h t om e a s u r et h et i n yd i s p l a c e m e n ta n d w e i g h t 3 d e s i g nac o n s t a n t - t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf o rm e a s u r i n g t h et e m p e r a t u r e 3 d e s i g na d e m o d u l a t o rt or e c e i v et h es e n s es i g n a l 4 g e tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h el i g h tp o w e ra n dt h em e a s u r e d ，r e s o l v i n gp o w e r ： 0 s u m ，o 1 9 ，0 0 1 。c e x p e l u m e n to fc o n c r e t i ec r a c ke x a m i n a t i o n 1 a n a l y z et h et e c h n o l o g yo f b u r y i n gf i b e r , a n dg o tap r e s c r i p t i o no f m u c u s 2 m a d eac o n c r e t em o d u l et os i m u l a t ec r a c k ，a n dg o tt h ec u r v eb yt h er e l a t i o n b e t w e e nt h el i g h tp o w e rl o s sa n dt h ew i d t h o f t h ec r a c k k e y w o r d ：f i b e rs e n s o li n t e l l i g e n ts t r u c t u r e f b g ，f i b e rm i c r o b e n d ，o t d r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互荔：；荨 签字日期：2 矽多年，月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 互虏溥 聊貔屯一 签字日期：24 p 年f 月歹日 签字日期：之一年 1 月f 日 第一章绪论 1 1 光纤传感概述 1 1 1 引言 第一章绪论 信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素。然而直到2 0 世纪初，人们 才认识到信息是一种重要资源，正确地利用它可以极大地提高劳动生产率。到 2 0 世纪下半叶，信息技术同计算机、网络和通信结合以后，获得了巨大的发展， 在社会运作中发挥着越来越重要的作用。很多国家，特别是发达国家，开始建设 信息高速公路。现在我们已经迈入了信息时代，信息资源的争夺更加激烈。 信息技术包括获取、传输、存储、显示、处理。信息技术凸显以来，依靠电 子学和微电子学技术成熟而迅速发展，但由于电子本身的物理极刚”1 2 】，光子技 术显现出越来越多的优势，特别是光通信技术发展迅速；在集成电路、计算机技 术飞速发展的同时，信息摄取装置_ 传感器和传感技术却成了限制信息技 术发展的瓶颈【3 ”。而光通信的快速发展，推动了激光器、光纤、光无源器件和 光检测技术的进步。光电检测，光纤传感等各种光载信号传感产品应运而生。光 在传输过程中，光载体受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光 的强度、相位、频率、偏振态等光波参量发生变化。通过监测这些参量的变化可 以获得相应的物理量。光传感以其独特的技术特点，飞速发展，特别是光纤传感 技术，利用其质轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息 传感与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题，被 广泛应用于医学、生物、电力工业、化学、环境、军事和智能结构等领域【5 卜【8 】。 本文主要围绕光纤传感器展开讨论与研究。论述了光纤传感的关键技术。并 着重分析了光纤光栅传感的特点和应用情况。研制了一套光纤光栅传感实验仪： 包括宽带光源，解调电路，恒温盒，等强度梁一系列装置。接下来，分析了基于 光纤微弯传感的智能系统的理论问题，并设计了光纤微弯传感网络，利用光时域 反射仪，进行了混凝土裂缝检测的实验。 1 1 2 光纤传感器进展 光通信是2 0 世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一，由于光子的频 率比无线电( 如微波) 的频率高得多，所以，为提高传输速度和载波密度，信息 第一章绪论 的载体必然由电子发展到光子，以光子为信息载体，为现代化社会提供了一种最 优秀的信息交换与传输手段 9 1 。光通信的成功，促进了光传感的兴起与发展。 2 0 世纪6 0 年代，激光使得利用光的各种属性( 干涉、衍射、偏振、反射、 吸收、发光等) 的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得 了飞速的发展h 。1 9 7 7 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被 认为是光纤传感器问世的日子。由于光纤不但具有良好的传光特性，而且其本身 就可用来进行信息传递，无需任何中问媒体就能把待测量与光纤内的光特性变化 联系起来。此后，光纤传感器如雨后春笋般在世界各地的实验室出现，到2 0 世 纪8 0 年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。2 0 世纪9 0 年代后期，光通 信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展。“光子学与 光子技术发展战略报告”是国家自然科学基金委员会政策局在“九五优先资助领 域的基础上安排的软课题，早在1 9 9 7 年的形成的报告就预见的指出：在下个世 纪的光子产业上，光纤传感将与光纤通信平分市场，并逐步超过后者 9 1 。 但当时光纤传感器真正投入实际应用的却不多，这主要是因为与传统的传感 技术相比，光纤传感器的优势是本身的物理特性而不是功能特性。光纤传感技术 独有光纤质轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感 与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。依靠其 特殊的物理特性，在医学、生物、电力工业、化学、环境、军事和智能结构等领 域都快速发展起来。 光纤传感器的开发研究和设计应用是一个传感系统问题，系统基本工作原理 是将光源的光经光纤进入调制区( 传感区) ，调制区内的光纤器件受外界被测参 数的作用，使光加载了被测信号输出，在通过探测器解调出信号。可见光纤传感 器件的关键技术包括光源、传感光纤、光纤器件、和探测器。 1 1 3 传感光纤 早期用于传感器的光纤，大多数是从通信用光纤中直接选择使用。这对于某 些传感器，已能满足一定的要求。但随着光纤传感技术的发展，在许多情况下， 仅仅使用通信光纤是极勉强的。例如：光纤电流传感器中，如果直接使用通信光 纤，将有两个问题，一是通信用石英光纤的费尔德常数很小：二是传感器需要光 纤环绕被测电流，光纤被绕成线圈后，产生很强的线性双折射，将光纤本来很低 的费尔德常数又大大降低以至无法实际应用。对于单模光纤的弯曲感应双折射， r u l r i c h 等人做过详细的理论推导和实验验证1 4 ，指出弯曲感应双折射本质是应 力效应，双折射率为：屁= t 一，k ( 8 n , - - 占n y ) = o 2 5 t e n 3 ( p l l - p j 2 ) ( 1 + v ) ，2 r 2 ， 其中k x 和k y 是h e 。模偏振光沿x 和y 方向的传播系数，k = 2 j r , a 。光弹率变化 量8 n ， ，是在光纤轴上应力盯。( o ) 产生的值。光纤折射率，泊松系数x 8 nn = l4 6 v = 0 1 7 ，只是光应变系数，标准光纤( b ，一p l ，) = 一0 1 5 ，若彳= 1 5 5 u m ，则有： 2 第一章绪论 屁= 一3 1 7 1 0 7 ：( d e g m ) 。r 是弯曲半径，r 是纤芯半径。因此，开发各种适 合于传感技术要求的光纤是非常必要的【r 丌，如表1 1 。传感器用光纤一直是光 纤技术领域中的一个重要研究课题【9 卜【15 1 。 表1 1 常见传感用光纤 类型名称特性描述主要用途 低双折射光纤 减小光纤的线性双折射 改变线 ( 热处理，自旋式拉幺幺) 性双折圆双折射光纤 光纤的左、右旋偏振态的 磁场、电流传感 射 传播常数不同 引入极强的线双折射：熊保偏光纤、偏振光纤、 强双折射光纤 猫型、蝴蝶结型、椭圆型陀螺仪、水听器 d 型( 偏心)将单模光纤纤芯的场泄漏起偏器、偏振光纤、 光纤到包层中折射率传感 x 射线、紫外线和远 倏逝场空心光纤光纤为空心，作能量传输 红外线光能传输 金属光纤、气体在空心光纤中注入金属、起偏器、调制器、压 光纤、液体光纤液体、气体力传感、 能在长的红外波长范围工温度计量、热图像传 红外光纤 作 输、热能加工 采用金属氧化物、氟化物、 温度计量、热图像传 复合光纤卤化物等玻璃、晶体制成 输、内窥镜 光纤 纤芯和包层用塑料( 聚合近距离导光照明、内 改进材 塑料光纤 物) 制成窥镜 料成分掺o h 或f 元素，抑制辐 抗辐射光纤辐射环境监测 射造成的结构缺陷( 色心) 检测辐射线和紫外线 发光光纤含有荧光物质制造的光纤 温度g a 学敏感器 磁敏光纤掺入顺磁离子磁场、电流、 掺入稀土元素：e r , n d p r光纤放大器、分布式 有源光纤 等温度传感 保护光纤应用于特殊 涂敷光纤用碳、铝、锡等做涂敷物 场合，电场磁场检测 外套材料对电场、磁场、声学和磁场、电场、 光纤外套特殊处理声波等有特殊反应，成为加速场、电流等干涉 传感的关键部分型光纤传感系统中 第一章绪论 在光纤传感器中，光纤是主要元件，其作用是“传”或“感”，或者既是“传”又 是“感”。 1 1 4 光纤器件 远距离通信的需求和光纤传感技术的出现，促进了光纤器件的飞速发展。光 器件的制作工艺复杂，涉及了多方面的工艺技术：机械加工、成型工艺、精密光 学加工、激光加工、以及材料加工和半导体工艺等技术。许多的光纤功能器件得 到了更深入的研究，如表1 。2 所示。这些光纤器件构成了现今各种传感研究的基 础。i g j l l o 1 1 2 】1 3 1 - 1 1 7 】 表1 - 2 常用光纤器件 类型名称技术与应用 光纤耦合器实现光信号分路合路的功能器件 波分复用器对波长进行复用解复用的器件 偏振态控制器利用弹光效应改变光纤的双折射，控制光波的偏振态 光纤偏振器利用高双折射光纤，获得单偏振光 利用光纤干涉仪的选频作用：m z 干涉仪，f p 干 光纤滤波器 涉仪，s a g n a c 干涉仪，m i c h e l s o n 干涉仪。 全光 光隔离器利用光纤材料的旋光效应，单向传输 器件 相位调制器电光k e r r 效应 移频器 声波致弹光效应，多普勒测速仪、测振仪 光纤光栅光纤光敏特性，在纤芯内形成空间相位光栅 波导型光开关晶体波导电光、声光效应，微机械反射器等 光纤面板 传感中用作图像转换或敏感体 自聚焦透镜折射率渐变；准值或聚焦 棱镜改变光路 锗透镜隔离可见光，提高红外透过率 石英晶体作温度或频率测量 光学方解石双折射材料，光偏振器 器件铌酸锂电光效应材料，光开关和传感中敏感器件 滤光片抑制某些波长的透过 反射镜使需要的波段反射或转换光路 光栅角色散器件，用于频率选择和干涉型传感器等 光电光电耦合器传感中的光电隔离 器件电光调制电场下对光的调制 4 第一章绪论 磁光调制器磁场下对光的调制 声光调制器声场下对光的调制 机械 连接器 光纤的连接，对准 编码器 高谏运动物体动杰常占测量 器件 机械光开关光的切换 特别提出的是光学材料作为制作光器件的另外一个重要方面，也不断向前发 展，成为一个新的分支学科，光子晶体和聚合物光器件的出现就是光学材料发展 的有力例证。光器件发展方向大致为： ( 1 ) 纤维光学和集成光学共同发展，互为补充。 ( 2 ) 分离器件和集成化器件将长期共存，但发展趋势是集成化。 ( 3 ) 光波导理论和电磁波理论是构成光无源器件的理论基础。 ( 4 ) 高、精、尖的加工技术是光器件性能的基本保证。 ( 5 ) 寻找新的光器件所需的新型光学材料。 1 1 5 光源 光纤传感器所选用的光源类型在很大程度上决定了此传感器的工作模式、信 号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度，因而选择一种合适的光源对整个光纤 传感器的设计起着至关重要的作用。然而，在选择光源时，应考虑的因素很多， 如光源的尺寸、输入输出功率、稳定性、相干性、光谱特性以及与光纤的耦合难 易程度等，另外光源的价格也在很大程度上决定了这种光纤传感器最终是否能够 实用化。光通信的发展和光传感技术的兴起，使得各种光源得到更深入的研究， 如表1 3 所示1 9 1 1 0 1 1 1 4 1 1 8 】【1 9 】。 表1 - 3 传感用光源 类型名称特性描述及应用 红宝石、钕离子、y a g 等。测量吸收光谱、超长 固体激光器 距离的测量，荧光热效应测量温度。 ， 坐 激光二极光纤干涉传感，相阵激光器，能量运输中的大功率 导管( l d )光源。 相干光体d f b 激光单纵模激光器，动态单纵模激光器，多用于通信光 源激- 器源。 光量子阱激呈现量子限制效应的异质节半导体激光器( x ，区域 内携带的功率，p t 为导模携带的总功率，则由上式可以近似得到导模在弯曲波导 中的振幅衰减系数： 口：上墨( 2 3 ) 2 z cp i 在曲率半径很大的情况之下，用直波导的导模分布近似表示弯曲波导的场分 布。对于对称平板波导的t e 导模，其偶模的场分布可以写为： 第二章光纤智能结构理论分析 耳2 l a c o s l 等- i 黜巾 一p c 卜i 一詈， i l x i d 吾 f c 。s h b i p = 去e 弓( 力 2 玉 p = 景f 岛眵疵 j 2 w uf 石1 pc 毋争唧 之p 阮一知 p = 上2 w ue e y e y d x = 卫净一1 2 w u 22 ki n ( 鼢l po s 2 ( 马2 l 、 l 得到振幅衰减系数： 口= c l e x p ( 一c 2 胄) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 午捂舞轫 协” 。2 石面丐万网 “叫 c 1 ：2 p ( f l - k o n 2 ) ( 2 ，1 0 ) 玛 对于一定结构的波导，c 1 ，c 2 是与曲率半径r 无关的常数，而振幅衰减系数 口与曲率半径为近似指数关系。曲率半径r 越小，辐射损耗越严重。 如图二所示，对于r a 波导区域内电场分量e z ，毛表达式n 如下： 置= 彳 五( 蛔) 酬1 ( i y a ) t i j ”( i t r ) c o s v o e 一嗯脚 2 老孟器哦吣i y r i n ( v + 妒埘隙班i n ( v - 1 冽e “卅 这里： k = 2 z 江= 而 6 d 屹 “ 亿 ( ( 第二章光纤智能结构理论分析 ，= ( 露一足2 ) x k = ( 砰k 2 一霹) 振幅与模传输功率有关，其表达式为 肚l 翥1l r 、- f 2 v = 0 铲i 1 v o v 2 = k 2 a 2 ( 砰一) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中厦”是汉克尔第一类函数，v 是贝赛尔函数j v 的阶数，1 1 l 是光纤芯区的 折射率，n 2 是包层的折射率。 场的表达式中的传播因子用辰删来代替展z ，这样就可以用来表示弯曲光 纤的场了。光纤外部场可以用以下两个场的叠加来描述： s 刍= 碰2 ( 户矿) 矿却矿肛 ( 2 1 9 ) 壳= ，c 删砷( ) p ”p 卅2 ( 2 2 0 ) 其他电场和磁场的表达式可以通过微分方法求得，在此就不一一列出了。时 间因子e x p ( i w t ) 在电场和磁场的表达式中可以忽略，但该时间因子保证第二类汉 克尔函数碰2 能够描述无穷远处的消失波。参数p 可以定义为： l 户= ( k 2 一2 ) j ( 2 2 1 ) 振幅系数f j 司1 以假定为属于两组正交模的不同数值。我们选取f 1 ，f 2 为 e = 慢( 岛) i 日：【p ( r + 口) 】研1 【p ( r + d ) 】 ( 2 2 2 ) e = ( 岛) j 研【p ( 月+ 口) h ： p c r + 口) 】 ( 2 2 3 ) 真空磁场磁导率应不与汉克尔函数的阶数相混淆。振幅参数尼- 与t y u j e 交模相联系 r ”彬e 出卜( ) 一锄( ) l 珊。 。：埘， = ( 掰) 屯乞万( 一) 7 第二章光纤智能结构理论分析 m 朋= 垫p pf l 厂l 酽h ( 2 ) 、j 2 - 1l h ( i r a ) = ( 2 i x ) e ”扣7 2 k v ( ，口) ( 2 - 3 9 ) 特征方程需要用汉克尔函数来代替方程( 2 3 4 ) 中的贝赛尔函数，用到如 下关系： 4y z k v i l ( r a ) x ( ，4 ) 则曲率损耗公式可以用下式表示： 万2e x p 【一詈( ，3 魃) r 】 2 口= e , r v 2 f f - r k , j _ , l ( r a 二) k , + _ , ( 一r a ) ( 2 4 1 ) 参数e v ，v 2 可以用式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 定义。我们考虑到，当y a 1 时，方程( 2 - - 4 1 ) 可以近似表示为： ，。：2ak2ezr4expl-2(y3fl；)r 2 拈e 而莉广，、，刀y “p ( 2 4 2 ) 在这种情况下，l ( a 可以近似地认为是贝赛尔函数的根，即 ( 胁) = 0 。而当 y a 1 是，就可以用v = o 来近似表示( 2 - - 4 1 ) 式，有： 1 9 柄南 第二章光纤智能结构理论分析 2 a =( 2 。4 3 ) 这样我们得到曲率损耗公式a 参数屯，和屐可以从方程式( 2 - - 1 4 ) 、( 2 - - 1 5 ) 和导模方程f 】2 】【】3 】中去取值。 2 2 3 算例 多模光纤的纤芯折射率= 1 5 ，包层折射率n 2 = 1 4 8 5 ，波长丑= 0 6 3 u r n ( 红 光) ，纤芯半径口= 5 0 砌。传播常数纛= k o n ( o ) 1 2 瑟沏+ 肝+ 1 ) 厶( o ) 4 】- 。在 m - - n = o 时，传播常数口最大，故也就知道这是单模传输的情况，则： , 8 = k o n ( o ) 1 2 压五厶( o ) 口】_ k = 2 = 9 9 7 3 1 0 6 = k o n ( o ) 1 2 压五厶( o ) d 】- = 1 4 9 5 6 x 1 0 6 ，= 卢2 一伟2 2 = 2 0 8 1 0 6 k = 霄k o - , 8 2 = 0 3 4 6 x 1 0 6 v 2 = 霹口2 ( 月f 一碍) = 1 1 l x l 0 4 7 a = 2 0 8 x 1 0 6 x 5 0 x 1 0 6 = 1 0 4 ：* - 1 一j 2r 3 1 p 2 = 一2 6 8 x 1 0 4 2 口：2 a k 2 e 2 r 4 expf-20r)fl：一)r：百0422e 。：* 蹦p ( 艺s s o o r ) v 4 x r r v 2 月 数值模拟后的曲线如图2 - 3 网一 筹纛竺砂 第二章光纤智能结构理论分析 籁 蜗 耀 辎 弯曲半径( 单位：c m ) 图2 3 光纤微弯半径和功率损耗系数关系图 从图中可以看出，当曲率半径在o 8 0 c m 时，功率损耗系数仅为7 8 1 0 ， 而当曲率半径变为o 7 9 e m 时，功率损耗急剧增加到o 0 1 7 。随着曲率半径的减小， 功率损耗系数变化幅度很大，在曲率半径为0 7 8 2 c m 、0 7 8 1 c m 时，功率损耗系 数分别为o 9 8 和1 2 9 。可见随着弯曲曲率半径的减小，损耗系数逐渐增大，以 至于达到一定弯曲半径时损耗会非常的大。弯曲半径在0 7 8 3 o 7 8 7 7 之间时， 损耗系数与曲率半径成一定的衰减关系。 2 3 光纤在混凝结构中的埋入问题 钢筋混凝土已成为广泛应用的建筑材料。在一般钢筋混凝土中，混凝土占了 总体积的9 0 ，钢筋只占2 。混凝土是由水泥、砂石、外加剂、掺和料和水构 成的。混凝土的强度与水灰比、原材料的特性以及养护条件( 温度与湿度) 有关。 一般混凝土的抗压强度为3 5 5 0 m p a ，而抗拉只有抗压强度的1 1 0 左右。混凝土 的弹性模量为2 0 3 0 m p a l l 4 1 。如何将光纤传感器完好地埋入结构体，既不影响结 构体本身也不会影响传感器的功能，这也是智能结构研究的一个重点。 2 3 1 光纤传感器无损伤埋入工艺 光纤传感器的埋入会面对许多损伤问题。首先，水和氢氧离子可能与玻璃光 纤的表面反应，会减少其强度，而在应力作用下就会加速玻璃光纤表面的裂隙生 长( ”】。然而，水仅仅在混凝土凝结的最初几天内存在，随着蒸发和化学反应，大 部分就会消失；并且从棍凝土中的钢筋不曾被腐蚀也说明了混凝土具有很高的不 渗透性1 16 】。另一方面，水泥有较强的碱性( p h 值接近1 2 ) 可能会腐蚀玻璃纤维 【1 9 1 。此时，光纤的涂覆层的保护作用就显得尤为重要，实验表明使用聚酞胺 脂涂层的标准石英光纤就有这种保护性能1 2 0 l 。其次，混凝土内的砂石、填充物等 都会损害埋入的光纤，混凝土的硬化会损害光纤。为此人们提出了很多方法，比 2 第二章光纤智能结构理论分析 如在光纤上套金属导管，光纤与导管起埋入混凝土中，捣实后，金属导管从钢 筋混凝土中抽出，则光纤与混凝土的界面比较光滑。或者在光纤外包条与混凝 土热膨胀系数致的金属导管，外部载荷通过金属细管作用在光纤上。实践中光 纤埋入的常用方案有许多【2 l 】： ( 1 ) 组合装配法：即将光纤直接埋入小型预制构件中，然后把小型预制构 件作为大型建筑结构的一部分埋入； ( 2 ) 粘合法：即把光纤粘结结构体表面，直接探测表面裂缝；或粘贴到钢 筋上，通过钢筋的应力、应变也反映建筑结构的内部状态，如图2 3 。这对于智 能结构中的非应变光纤传感器和作为通讯使用的光纤的集成十分有利，但这要求 测试应变的光纤传感器对材料结构外部应力的变化非常敏感，并且粘合剂选择比 较困难； ( 3 ) 在建筑结构中埋入特殊设计的光缆或光纤。 篷蕊弱 图2 3 粘贴在钢筋上的光纤 2 3 2 埋入光纤的微观力学问题 在智能结构中，传感器不仅仅要反映结构元素变化的位置，还包括变化的量。 在垂直受力条件下，由于光纤传感器的弹性模量与混凝土结构的弹性模量有差 异，因此结构内应变与光纤传感器所测应变有所不同。n a n n i 2 2 等人认为光纤传 感器的应变与混凝土的应变关系如下：毛= 晶2 互e + e ，其中岛为混凝土的 应变，靠为光纤的应变；e l 为光纤弹性模量；e 2 为光纤保护层的弹性模量1 2 2 】。 由此可见，光纤及保护层的模量越大，光纤的变形就越接近混凝土的变形。所以， 光纤智能土木结构要选用保护层比较硬的光纤。在平行埋入方式中，光纤主要受 轴向变形。这要求光纤保护层、保护层混凝土界面的抗剪强度越大越好。即 光纤与保护层粘结要越牢固越好，同时保护层与混凝土界面的摩擦阻力越大越 好。n a n i 等人假设两个界面的抗剪强度都足够高，光纤所测得的拉应力若要等于 施加于混凝土上的拉应力，光纤埋入的长度必须大于光纤芯径的2 0 倍t 2 2 1 。 2 4 光纤传感信号的检测方法一神经网络l z 3 】i - 2 1 目前许多传感信号为大面积的并行分布式信号，用一般的信号处理方法计算 量大，非常困难。幸运的是，现在各领域得到广泛应用的人工神经网络具有高度 第二章光纤智能结构理论分析 的并行性、容错性及自适应与自组织能力，是一种能实时地、智能地处理并行分 布式信号的理想工具。其中人工神经b p 网络适用于强度调制型光纤传感阵列信 号。这种神经网络处理强度调制型光纤传感阵列输出信号的原理为：直接利用阵 列传感光纤出射光的光强度分布特性，根据其光强度分布与光纤上扰动参量及位 置之间的对应关系，将出射光的光强分布信号作为神经网络的并行输入信号，通 过训练使光纤上的扰动参量及位置与神经网络的输出模式之间建立一一对应的 某种非线性映射关系，从而使光纤阵列传感信号得到简单、直接的处理，对结构 状态与损伤进行估计，并进行损伤预报。采用多层感知b p 网络，不但可以对损 伤进行定位，而且能估计损伤的程度，因为b p 网输出值序列既可训练为表征位 置( 区域) 的代码，也可训练为对应监测量的大小( 程度) 的代码。 b p 算法由以r u m e l h a r t 和m c c e l l a n d 【2 6 j 为首的科学家小组提出的，b p 神经网 络是属于多层前馈型神经网络，该网络模型采用误差逆向传播学习法( b p 算法) ， 建立在梯度下降法基础上的有监督学习算法。训练该种网络可使其具有对非线性 模式进行逼近的能力。特别是它的数学意义明确、步骤分明的学习算法，更使其 具有广泛的应有背景。下面就讲述一下b p 神经网络的拓扑结构和b p 算法。 2 4 1b p 神经网络的拓扑结构 b p 神经网络是属于前馈型神经网络，通常都是三层网络，有输入层、隐含 层和输出层，相邻层之间实现全连接，而每层各神经元之间无连接，其拓扑结构 如图2 ，9 所示。对于输入信号，要先向前传播到隐含层节点，经作用函数后，隐 ， 节点的输出信号再传播到输出节点，最后给出输出结果。 2 4 2 b p 算法 输入层 隐含层 输出层 图2 9 三层b p 神经网络拓扑结构图 b p 算法是一种新的多层网络的训练方法。利用该种算法进行连接权校正的 多层前馈型神经网络称为b 孵中经网络。该算法的基本思想如下【2 _ 7 】： 第二章光纤智能结构理论分析 学习过程由信号的正向传播与误差的逆向传播两个过程组成。正向传播时， 模式作用于输入层，经隐含层出来后，传向输出层。若输出层未能得到期望的输 出，则转入误差的逆向传播阶段，将输出误差按一定形式，通过隐含层向输入层 逐层返回，并“分摊”给各层的所有神经元，从而获得各层单元的参考误差或称 误差信号，以作为修改各神经元连接权的依据。连接权不断修改的过程，也就是 网络的学习( 或称训练) 过程。此过程反复进行，一直进行到网络输出的误差达 到要求为止。下面对该算法进行详细讨论。 设b p 神经网络模型如图2 9 所示，其中网络输入层有1 1 个神经元、中间层有q 个神经元、输出层有m 个神经元。为说明方便，首先把网络的变量设置如下【2 4 】： 输入模式向量：) ( - i x l ，x 2 x n 期望输出向量：y = 【y l ，y 2 y m 】 隐含层各神经元输入激活值向量：s = s l ，s 2 s q 隐含层各神经元输出向量：b = b l ，b 2 b q 输出层各神经元输入激活值向量：l = 1 l ，1 2 l m 】 输出实际值向量：c = 【e l ，c 2 c m 】 输入层与隐含层之间的连接权为：彬， 隐含层与输出层之间的连接权为：v 。 其中1 = 1 ，2 ，m ；j = l 2 一，q ；t = l ，2 ，一，m 激活函数采用s 型激活函数：f ( x ) = 击 l 十e 激活函数的导数为：f ( x ) = f ( x ) 1 - f ( x ) 】 神经元的期望输出与实际输出的误差为： q ( 玎) = ( n ) 一c ，( ) ( 2 4 4 ) 神经元的期望输出与实际输出的均方差为： 1m 2 1 m e ( 胛) = 寺( h ) 一q ( 雄) ) = 寺( q ( ”) ) ( 2 - 4 5 ) 从网络的前向计算和误差反向传播这两个方面来讨论： 1 ) 前向计算 当输入样本( ) ( ，则 隐含层第i 个神经元的输入激活值为： = 输出为： 曰，= ( s j ) 输出层第t 个神经元的输入激活值为： ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 第二章光纤智能结构理论分析 其输出为： 厶= 屯 e = f c l , ) ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 2 ) 误差反向传播 设_ ( 片) ：羔一，( 雄) 乃( 胛) ，p 为加到单元j 前输入的个数，l f j y ，( 胆) = z ( _ ( ”) ) ， 求e ( n ) 对w i t 的梯度 由于 a e ( n ) ：a e ( n ) 堡盟堡盟型( 2 - 5 0 、 a ( 胛) & ，( ，2 ) o y i ( 胛) 西，( n ) 却，( ) ，器吲n 器叫，丽o y j ( n ) = 椰她丽o v j ( n ) 州( 2 - 5 1 ) 得： 丽d e ( n ) = 一巳( ”) ( 。( n ) ) 只( ”) ( 2 5 2 ) 权值，j t 的修正量为： 峨= 一玎丽a e c n ) = 1 t ( ) 只( 以) ( 2 5 3 ) 式中，负号表示修正量按梯度下降方向，巧( 胛) = 一q ( ”) ( ( ”) ) 称为局部梯 度。下面分两种情况讨论： 1 ) 若神经元y l ( n ) = x ，( n ) 为输出神经元，根据前面网络变量的设置，则上式 中的j 即 为t ，i 即奠巧，瓯( 疗) = 一q ( 月) ，( ( n ) ) y t ( n ) 2 b j ( n ) ，贝4 ( 即) = 刁( 儿( ) 一q ( ) ) 厂( ( 挖) ) q ( ) ( 2 5 4 ) 2 ) 若神经元j 不是输出神经元，根据前面网络变量的设置，则式2 2 4 中的j 即 为j ，i 吼驰卜器他) ，y l ( n 脚m 吲班叩蒿器巩川( 2 - 5 5 ) 第二章光纤智能结构理论分析 而器= 砂端= 砷鬻希2 书一s 6 可得 搿一。) ) ，器吲删 丽o e ( n ) = 军咖) 器= 莩咖矿( 7 ，( 砌( 2 - 5 6 ) 由式2 3 8 和式2 3 9 可得： = 印g ( ，谚q ( 丹) 坞彳q ( ”) h ( 哟 ( 2 5 7 ) 综上所述，b p 算法的步骤可归纳如下： 1 ) 初始化，选定一结构合理的网络，置所有可调参数为均匀分布的较小数值。 2 ) 对每个输入样本作如下计算： 前向计算 对隐含层神经元j 的输出：e = 厂( q ) = ( 2 5 8 ) 对输出层神经元j 的输出：g = ，( 厶) = 屯 ( 2 5 9 ) 反向计算j 对输出神经元t ：4 ( 月) = 一q ( ”) z ( 厶( 胛) ) ( 2 6 0 ) 对隐含层神经元j ：t ( 胛) = 一4 ( 功( 一( ”) ) ( 2 6 1 ) 修正权值 对隐含层到输出层间的连接权：( 疗) = 叩4 ( 斤) 6 ，( ) ( 2 6 2 ) 对输入层到隐含层间的连接权：w ，( 玎) = 7 吒( 阼) ( s ，( n ) ) 一( 片) ( 2 - 6 3 ) 输入新的样本，直至均方误差达到预定要求，训练时各周期中样本的输入顺 序要重新随机排序。 采用b p 神经网络的光纤阵列损伤评定系统如图2 一l o 所示。此系统可以检测 混凝土体的裂缝，但系统对硬件的要求非常高，要求有高效的处理机和相应的处 理软件，才能体现出人工神经网络的高速高效的特点。而且目前这种专业的处理 硬件并不完善，实际中多采用多种设备结合操作进行。后面馄凝土裂缝传感实验 我们由于实验条件的限制并没有采用人工神经网络的传感网络。但我们借鉴了它 的布线方式；二维阵列式的布线，如图2 1 0 所示【2 8 1 。 第二章光纤智能结构理论分析 图象屏幕 图2 1 0 全光学二维损伤评定系统 我们将一根光纤布成网状，实现了二维的传输。我们将在第四章介绍我们的 裂缝检测系统：利用光时域反射仪，基于光纤微弯传感原理的混凝土裂缝检测系 统。它的二维光纤分布检测方法与其有一定的差别，详细的方法见第四章。 2 5 本章小结 本章对光纤传感在智能材料和结构中的地位及应用情况作了评论。着重讲述 了光纤微弯传感的基本原理，构建了光纤微弯理论模型，并运用波导传输理论推 导了光纤弯曲半径与损耗的关系，并绘制了曲线图；然后讲述了当前智能材料和 结构中的光纤埋入问题；最后对传感网络的信号检测方法作了论述，着重讨论了 人工神经网络的基本概念，以及在光纤分布传感中广为应用的b p 算法的原理， 给出了拓扑图和算法公式。 第三章光纤光栅传感系统的设计 第三章光纤光栅传感系统的设计 设计一套光纤光栅传感实验系统，可用于微应变、微位移、载荷质量和温度 的测量。工作主要包括宽带光源、等强度梁、恒温盒和传感监测仪的研制。传感 系统包含了光纤光栅传感和传统电学传感两套方案，可对比实验。 3 1 布拉格光栅传感基本原理【1 】【2 】 f b g 传感器采用波长编码，能被f b g 感知的物理量一定能引起其布拉格波 长的变化。f b g 布拉格条件的数学表达式为 以= 2 a ( 3 - 1 ) 对上式微分形式为 丝：a n a r ；坐 砧 n e f f a ( 3 可见能引起折射率或栅格间距发生微扰的物理量均能引起布拉格反射波长 的变化，并被f b g 传感元所感知。 3 1 1 应力对f b g 的作用 匝力作用于f b g 上时，一万回，光栅刷期由于f b g 的机械性的伸长而芨生 改变；另一方面，弹光效应使f b g 有效折射率发生变化，两者分别为 坠：t(3-3) a 。t 堕：一只毛( 3 - 4 ) ，l 珂 式中只为有效弹光系数，鼻为考察点处的轴向应变人和胆够构成对f b g 栅格间光程的总贡献。记绝对漂移量为a t 口，温度不变时，将( 3 3 ) ，( 3 - 4 ) 代入( 3 2 ) ， 应力引起布拉格反射中心波长的相对漂移量为 _ a a b ：( 1 一见) t ( 3 - 5 ) l b 其中p 。为有效弹光系数( 硅纤介质中p 。= o 2 2 ) p 。；! 姿b ，：一，( p ，+ p ，：) 】( 3 - 6 ) 第三章光纤光栅传感系统的设计 这里p 1 j ( _ ，= 1 ，2 ) 为p o c k e l 系数，厂是p o i s s o n 比。 3 1 2 温度对f b g 的作用【3 1 温度一方面由于热涨效应使得f b g 伸长而改变其光栅常数；另一方面热光 效应使得光栅区域的折射率发生变化。一定温度范围内两者均与温度的变化量 r 成正比，可分别表示为 _ a a ：融r ( 3 7 ) 鲁= 一石1 万d n , g r 万d v 丁 p 8 ) n 呼”蜉胛以 、 其中口为光纤材料的膨胀系数，v 为光纤的归一化频率。温度变化引起的 f b g 波长漂移主要取决于热光效应，它占热漂移量的9 5 左右，记为 f ：一上堕一d v ( 3 - 9 ) ； n e f d