智能材料3.ppt

1、课 程 内 容,光纤及光纤传感系统简介 光纤传感器分类 常用的光纤传感器 光纤传感器应用进展,第三章 智能材料中的光纤传感系统,“光纤之父”的华人科学家高锟,年，高锟提出了用玻璃代替铜线的大胆设想：利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号。 1967年7月，高锟博士在英国发表了一篇论文，光频率的介质纤维表面波导,指出可以用玻璃作为光导纤维。 1970，他发明了石英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维，使科学界大为震惊。,3.1 简介,“中国光纤之父”赵梓森,1979年拉出我国第一根实用光纤，被誉为中国光纤之父; 由他作技术带头人的武汉邮科院，1982年建成了我国第一条光缆通信工程，开创我国光纤通

2、信应用的历史； 1995年当选为工程院院士,光纤通信,光纤传像,光纤胃镜,北京玻璃研究所所长闻鸥提出了用光纤传导光的思路，经过几十次的设计、研制，终于成功地搞出了传导光束照明系统，1978年获全国科学大会奖。,光纤照明,恐龙馆,酒吧,光纤制导导弹,欧洲独眼巨人光纤制导导弹,光纤玩具,1. 光纤导光的基本原理,当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。,n1,n2,r,i,(a)光的折射示意图,可见，入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。,n1、n2、r、i之间的数学关系为,n1sini=n2sinr,斯乃尔定理（Snell

3、s Law）,当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。,式中：i0临界角,i0=arcsin(n2/n1),sini0=n2/n1,sinrsin901,n1,n2,r,i,(c)光全反射示意图,当r=90时，i仍90，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有,2、光纤结构,n2,n1,纤芯,包层,磁场向量,电场向量,传播方向,Y,Z,X,与物质作用,光是一种电磁波，其波 长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。 它的物理作用和生物化 学作用主要因其中的电场而引起。 电矢量E的振动，即 A电场E的振幅矢量；光波的振动

4、频率； 光相位； t光的传播时间。,3. 光纤传感系统,1、光源：发出未调制的光信号，耦合进入光纤传输 2、光纤：将未调制光信号传输进入调制区，与外界被测信号发生相互作用进行调制（光强度、波长、频率、相位、频谱分布等），产生调制光信号，传输至光探测器 3、探测器：对被调制的光信号进行被测信号还原，获得被测参数,光纤传感器两类工作方式 一是由光纤本身受到环境变化而使其中传输的光发生变化，进而被传感器所监测到变化信号； 一是光射在被测物质上，它们所发射或反射出来的光波要么发生位置及强弱变化，要么发生波长变化。,1）综合特点 结构简单紧凑、结实耐用、维护费低、可靠性高、性价比高 适合与数字系统连接；

5、 应用领域广（物理、化学和生物学等参数的测量监控）； 发展非常快，百余种光纤传感器。,光纤传感器的特点,电绝缘特性 光纤为非金属的石英电介质。因此，光纤传感器具有良好的电绝缘性，特别适用于高压供电系统及大容量电机测试等场合 抗电磁干扰特性： 光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低 适用与高压大电流，强磁场噪声，强辐射等恶劣场合。,2）使用特性方面的特点：,非侵入特性： 体积可非常小（略大于光纤的芯径），本身电绝缘，因此对电磁场、速度场均为非侵入性，对被测量场不产生干扰。 适用于弱电磁场、小管道内流速、流量等的监测。 高灵敏度 这是光信号测量的优点。可适用于特定精密测量与控制

6、的场合。,远距离监控特性 光纤的传输损耗非常小，与遥感技术相结合可实现远距离监控。 目前，光纤的最低损耗已达0.2dB/km，甚至更低。 适用于工业生产过程自动控制，以及对核辐射、易燃、易爆气体和大气污染监测。,航空航天及军事领域:美国用光纤代替了A7飞机上的电缆，飞机的重量减轻了12.25Kg。高性能的飞机每增加1磅（等于0.4536kg）的重量，成本就要增加1万美元。12.25 Kg的重量可以节省大约27万美元。 光纤通信在体积和重量上的优势：相同话路的光缆要比电缆轻90%95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。通2万1千话路的900对双绞线，其直径

7、为3英寸，重量为8 吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，重量仅450磅/公里。,体积小、重量轻,现有的电话线和电缆是由铜和铅等金属制成的。地质调查表明，世界上铜的储藏量并不多，据估计，按照现在的开采速度，世界上的铜矿资源将在50年内开采完毕。 光纤的主要构成材料是石英（主要成分是二氧化硅），说得更通俗一点就是随处可见的砂子，这种材料在地球上可以说是取之不尽、用之不竭的。 用1公斤的高纯度的石英玻璃可以拉制上万公里的光纤，相比之下，制造1公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜，或500公斤的铅。所以，用光缆取代电缆，可以节约大量的有色金属。,资源丰富,根据光纤作用的分类方式（一）

8、第一类：外部光纤传感器，又称为非功能型或者传光型光纤传感器 光纤作用：光纤只起信号传递作用； 特点：无需特殊光纤与技术，系统简单，成本与灵敏度低,光纤传感器分类,光信号调制：非光纤敏感元件上进行,第二类：内部光纤传感器，又称为功能型或者全光纤型传感器 光纤的作用：光纤同时起导光与敏感元件的双重作用； 信号调制：在光纤内光信号受被测量调制； 特点：结构紧凑、灵敏度高；需要特殊光纤和先进检测技术；成本高。 代表性产品：光纤陀螺（航天技术）等,光信号调制：特殊光纤上直接进行,根据光受被测对象调制形式分类(二) 第一类：强度调制型光纤传感器 原理：被测对象变化导致光纤折射率、吸收或反射等变化，最后导致

9、光强度变化 测量对象：光纤微弯损耗（压力），吸收特性、振动膜或液晶的反射光强度（温度、振动）、粒子射线或化学、机械激励而发光（化学、气体、压力）等 优点：结构简单、容易实现、成本低； 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等的影响较大,第二类：偏振调制型光纤传感器 原理：被测对象导致光的偏振态变化, 传递被测对象的信息 测量对象：光在处于电/磁场中介质传播的法拉第效应（电、磁场信号），光在处于电场中压电晶体内传播的泡克尔效应（电场、电压信号），物质的光弹性效应（压力、振动、声信号），光纤双折射（温度、压力、振动） 优点：灵敏度高，可避免光源强度变化的影响,第三类：相位调制型光纤传感器 原理：被测

10、对象变化导致敏感元件的折射率或传播常数变化，导致光相位变化；再用干涉测量技术将相位变化转化为振幅变化，还原成为被检测的物理量 光纤相位调制传感器： 光弹效应的声、压力或振动传感器， 磁致伸缩效应的电流或磁场传感器， 电致伸缩效应的电场或电压传感器， 萨格纳克效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等 优点：灵敏度很高， 缺点：采用特殊光纤及高精度检测系统，成本较高,第四类：频率调制型光纤传感器 原理：被测对象导致光频率变化，检测被测对象信息 测量对象：运动物体反射或散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力和加速度传感器，强光照射的拉曼散射效应的气体浓度、大气污染监测传感器，光致发光的温度传感器

11、等 第五类：颜色调制型光纤传感器 原理：被测对象导致传感探头的光谱特性变化 测量对象：钴盐/稀土磷光体的热色效应（温度），化学试剂变色（PH值）,70年代末-80年代初 NASA，美国国家航空航天局 研究内容：光纤埋入复合材料技术，参数测量与信号传输 80年代中、后期 光纤传感器监测技术的基础性研究 研究内容：复合材料固化、承载材料的动态性能、材料损伤评估等 结论：复合材料中埋入的光纤传感器/执行器是技术基础最成熟、应用前景最广的一种智能材料 90年代以后 光纤传感器的大规模应用推广 光纤智能蒙皮的实用化,光纤传感系统发展,装有智能蒙皮的战斗机优点： (1)热压成型过程中，可随时监测复合材料的

12、温度和固化程度，提高了材料使用的可靠度； (2)起飞前自动进行机身构件及蒙皮的非损伤评估，预测飞行的可能性； (3)在飞行过程中，实时、自动分布监测机身和机翼的空气动力学参数、所受应力及温度变化； (4)在战斗过程中，实时监测飞行负载环境及损伤的形成，评价战斗损伤，计算剩余实力，存贮相关数据，并向飞行员提供飞行限制： (5)着陆以后，智能蒙皮向地面人员提供积累的飞行数据以及有关结构完整性和所需维修的信息。,智能结构是指大型智能构件(如桥梁、建筑物、大坝的水泥预制件，核反应堆、火箭发射台的基座，航天飞行器、陆地战车和潜艇的框架等)。它可测量结构的载荷大小、振动幅度、温度和应力分布、应变、扭曲、蠕

13、变、层解、微裂及其他损伤，广泛用于载荷引起的结构疲劳和地震灾害预测等军用及民用大型设施。,重庆红槽房大桥,芜湖长江大桥,智能蒙皮则用于机翼、潜艇外壳、推进器叶片等。它除具有智能结构的性能外，与内部执行器配合，还可自动检测和控制壳体振动、流体与表面引起的噪音，自动检测和调节材料的多种性能(如反光性能、反辐射性能、电或热导性能、通风渗透性能等)，或改变自身形状。,智能材料中传感系统的选择,满足强度相容要求。 埋入传感器后不应使原材料强度下降或下降很小； 传感器的测量动态范围(如应变、扭转、挠曲等)应与基体材料的工作强度和外加载荷相匹配。 满足界面相容要求. 埋入传感介质的表面应与基体材料有良好的亲

14、合能力;两者还应有近似的热膨胀系数,温度变化会使传感介质和基体之间产生较大的剪切应力。,满足工艺相容要求。 不给基体材料的生产工艺带来困难;传感介质本身也能经受基体材料制作工艺中压力、温度、电场、真空条件等的考验。 满足场分布相容要求。 不影响基体材料内各种物理场(如应力场、电磁场、振动模式等)的分布。 满足尺寸相容要求。 足够小的体积，不能对基体材料组分和物理性能的连续性产生影响。,3.3 智能材料用特种光纤,光纤的特殊要求: 增强光纤与复合材料的相容性; 提高测量的动态范围; 扩展探测的物理量;增加检测手段; 开辟新的功能; 提高系统的可靠性.,3.3.1 细径光纤,普通单模光纤的芯包层直

15、径为9125微米，多模光纤为50125微米，加上外部保护层直径为250 微米。 先进复合材料中典型的加强碳纤维的直径只有10微米。 树脂富集区的大小与光纤直径及光纤与碳纤维相对取向有关。 当光纤与碳纤维垂直走向时，树脂富集区最大。随两种纤维走向逐渐平行，树脂富集区也随之减小。 复合材料受到外力作用时，在树脂富集区将发生应力集中，造成复合材料强度下降。,英同AEA技术公司Harwell实验室把包层直径为80um300um、相应涂层外径为93um500 um的光纤埋入1mm厚、8层Fiberdux914C碳纤维环氧树脂复合材料中进行了强度实验。,结果表明：标准125/250um丙烯酸脂涂层光纤使复

16、合材料强度下降16；80100um光纤使复合材料强度下降4；8093um光纤引起复合材料强度下降小于2。一般来说，埋入复合材料作传感系统使用的光纤，要求外径尺寸与复合材料的层间厚度相近。日前研制出的最细光纤直径为35um一40um。光纤直径再细会使传输损耗明显增加。,(1) 与加强纤维平行，对复合材料沿此方向的拉伸强度的影响可以忽略不计。这种结构适于测量复合材料的温度和应变。 (2)用于检测断裂临界负载造成的损伤时，光纤应埋在靠近最大应变的表层，并与上、下直排加强纤维正交，这样可获得最大灵敏度。 (3)光纤外径小于复合材料层间厚度(120 um140um)时，材料的拉伸强度下降较小，不影响大多

17、数情况下使用。 (4)埋入光纤根数对强度影响不大。 实验表明，埋入33根光纤，复合材料的拉伸强度最多下降4。压缩强度下降：6根光纤为1，9根光纤为5，33根光纤为24。,3.3.2 特殊涂覆光纤,光纤涂层: 较高的弹性模量和良好的耐高温性能 常用的紫外固化丙烯酸类涂层对光纤的附着力较差，而且固化后仍有明显的塑性。这种一次被覆光纤在复合材料中与基体材料的耦联性差，不能有效地将应变耦合给光纤，因而影响应力测量灵敏度。 初期的实验曾使用裸光纤，光纤表面虽具有很好的刚性，但很脆，不能在恶劣环境下使用。,光纤涂层的耐高温特性主要是复合材料成型工艺要求的。 由于使用的树脂不同，复合材料的热压成型工艺一般在

18、150一390下进行。 实验表明，如果在复合材料中埋入丙烯酸涂层光纤，当复合材料温度为160时，由于涂层性能下降，导致复合材料的层间剪切强度下降8，纵向压缩强度下降26，而高于175时丙烯酸涂层根本不能使用。,聚酰亚胺涂层光纤可同时解决上述两个问题。 聚酰亚胺类树脂是美国杜邦(Dupont)公司于60年代初开发的耐高温聚合物.30多年来共推出200多种系列产品，如热固性聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAl)、聚醚酰亚胺(PEI)、双马来酰亚胺(BMI)等。 其户PI已被正式用于高性能光纤涂层，它固化后有足够的刚性，长期使用温度可达300一350，短期可经受450一500高温，200以下工作寿

19、命超过50 000h，因此聚酰亚胺涂层光纤是智能材料与结构中使用的惟一理想实用光纤。,热解质量分析是评价材料耐热性能的一种有效的传统测量手段，即在加热过程中测量不同温度下材料的质量变化。 在升温过程中，随材料中水分逐渐蒸发，易挥发物质不断析出以至碳化，导致材料质量不断下降。从图中可以看出，一直到400，聚酰亚胺质量仍保持不变，因而具有良好的热稳定性。,金属涂层光纤也是特殊涂覆光纤的重要品种,金属涂层一般都具备耐高温和刚性好的特性，满足埋入复合材料加热成型的工艺要求和应力耦合的必要条件。 但常用的铝涂层光纤埋入复合材料后，由于铝的氧化层与树脂亲合力差，影响了它的实际使用。 当前金属涂层光纤用于树

20、脂基和水泥基智能材料的研究工作正在进行，研究的重点是寻找适当的金属涂层。它应与树脂有较强的亲合力或能抗水泥碱性的腐蚀，同时还要满足涂覆工艺方便、成本低廉的要求。,3.3.3 抗疲劳光纤,影呐硅基光纤长期可靠性的两个重要因素是由静态疲劳引起的光纤强度衰减和渗氢引起的光纤损耗增加。 光纤基质二氧化硅的理论抗拉强度约为18GPa，但光纤的实际断裂强度远远低于这一数值. 原因是在光纤的制作过程中，光纤表面不可避免地会产生某些微裂纹和微缺陷，在使用过程中，如成缆、敷设造成的弯曲和应力，引起光纤微裂纹末端应力集中，使光纤强度下降。 即使光纤在存放状态下，由于环境中微量氢气和水汽也会产生应力腐蚀现象，使微裂

21、纹扩展。如一根经过1.25GPa应力筛选的光纤，10天以后强度下降到0.56GPa。3年后下降到0.45GPa。同时氢的侵入还使光纤损耗增加。,埋入智能材料的光纤多用于测量应力和温度，因此经常处在应力状态中。此外，随温度的变化复合材料的有机树脂也会产生少量的氢气。这些因素都会加速光纤的疲劳过程，使已埋入复合材料的光纤的长期可靠性受到影响。 抗疲劳光纤是在光纤包层外用化学气相沉积法直接沉积一层碳膜，然后再涂上一层聚合物防护涂层。碳膜厚度一般为30 nm-80 nn。,涂碳工艺在光纤拉丝时完成。涂碳工艺用的拉丝机与普通拉丝机的区别是，在拉丝炉厂面被拉出的光纤经过CVD反应器，反应器内通过含有碳氢化

22、台物的气体，如C2H2、CH4等。这些气体作为碳源被加热到900一l100，并使碳原子沉积在光纤表面。光纤表面的碳层结构为无定形碳的六方晶格。这种结构可有效阻止氢和水分到达光纤表面，提高了光纤抗疲劳特性。 我国目前研制的涂碳密封光纤达到的技术指标为：光纤包层直径122-128um，涂碳层厚度30nn50nm，抗拉力大于、等于45N，抗疲劳因子n100，光纤损耗不因碳涂层而劣化。,与普通光纤相比，涂碳光纤抗氢渗能力可以提高6个数量级； 把两种光纤暴露于80、300kPa氢气氛中，普通光纤在1.08um、1.24um、1.59um波长下出现很高的吸收峰，而涂炭光纤的吸收几乎没有变化。,光纤作为智能

23、材料传感系统埋入复合材料后不可能再更换或取出。在智能材料经常受到应力载荷或完成自适应功能而变形的情况下，光纤的长期可靠性和寿命尤为重要，因此必须使用抗疲劳光纤。 碳涂覆光纤也是一种特殊涂覆光纤。其实金属涂覆光纤，如涂锡、铝、镍等，也有抗疲劳作用，但碳涂覆工艺最成熟，且成本低、抗疲劳性能优异，已成为抗疲劳光纤的主要品种。它在军用光纤信号及图像传输、海底光缆等场合也有重要应用。,3.3.4 单模保偏光纤,所谓“模”是指以一定角速度进入光纤的一束光。 单模光纤：光纤只能传输一种类型的电磁波 单模光纤的纤芯相应较细(纤芯直径为8-10m，包层外直径125m)，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要

24、激光源，成本较高.,70年代初光纤通信进入实用化阶段，人们主要关心和利用的是光纤的传输损耗及色散特性。因为这两个指标直接影响光脉冲的幅度和展宽，这对以强度调制为主要手段的早期光纤传输技术是首先要解决的问题。 随着光纤技术的发展和应用领域的开拓，振幅调制已远远不能满足容量、精度、灵敏度和功能扩展的需要。尤其光纤传感技术的开发，需要光的相干检测，因此光纤中传输光波偏振状态的变化和控制引起了人们的广泛重视。,根据光导理论，普通单模光纤中有两个偏振模传输。在理想状态下，这两个偏振模是简并的，它们应该有相同的偏振状态； 在实际的单模光纤中由于光纤几何形状不标准、结构不对称、工艺中的残余应力等原因，使偏振模的简并退化而形成两个正交的偏