光纤声波.doc

光纤光栅传感系统
基本知识
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输,反射波长和光栅周期的关系如下：
λ= 2 nΛ
其中n为光纤芯的折射率。Λ为光栅的周期。

图1. 光纤光栅传感系统的基本原理图
1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。现在一般采用高强度紫外光源通过Phase Mask所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光以在该光纤芯中产生折射率从而调制或相位光栅。
当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移B ，通过监测Bragg波长B 的变化情况，即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况。光纤光栅波长漂移B与应变和温度变化的关系如下：

其中，第一项代表光纤的应变效应，第二项表示温度对光纤的影响。在1550 nm波长，典型的应变敏感系数为;温度敏感系数为。所以，光纤光栅Bragg波长的变化与应变或环境温度的变化呈线性变化关系，通过检测光纤光栅Bragg波长，就可以测得应变或环境温度。
在工程应用中一般采用合适应用的方法，用环氧树脂胶进行封装，外加保护封装进行保护，从而形成光纤光栅光纤传感器。
由于光纤光栅（FBG）只能对某个波长进行反射， 反射波长的变化需要通过光纤光栅解调仪来测量，一般需要对多个光纤光栅传感器进行测量，也就是说要进行波分复用，将多个光纤光栅（FBG）的串接、 每个光纤光栅（FBG）对于一个中心波长，在保证测量的动态范围内，各个光纤光栅（FBG)的波长之间不重叠，这样通过光纤光栅解调仪（FBG Interrogator）实现对不同光纤光栅传感器的反射波长的测量， 从而转化成压力或应变的数据。

基于Mach-Zehnder干涉仪的单模光纤声波传感器的研究
李双佶  梁景舒  王福娟  蔡志岗  
【摘要】：光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器.它与普通的传感器相比,具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防燃等优点,因此在温度、应力、磁场等传感领域都有着广泛的应用.本文研究的光纤声波传感器,其基础为Mach-Zehnder(M-Z)全光纤干涉仪,我们主要的工作集中在传感臂探头的制作.所研制的基于M-Z干涉仪的单模光纤声波传感器,可以对声波的频率和声压级(输出电压峰谷差值)进行测量,频率响应范围为4～5000 Hz,涵盖了次声波段,动态响应范围上限为100 dBA.
【作者单位】： 中山大学物理科学与工程技术学院;
【关键词】： 传感器 光纤声波传感器 相位调制 M-Z全光纤干涉仪
【基金】：国家基础科学人才培养基金资助项目(J0630320);国家基础科学人才培养基金资助项目(J0730313)
【分类号】：TP212.14
【正文快照】：
光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络.先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级,可以测量温度[1]、应力(应变)[2]、磁场[3]

麻省理工学院开发出多功能光纤 以压电树脂实现声波传感器
【设置字体：大 中 小】时间：2010年8月12日
　　美国麻省理工学院（MIT）开发出了制造方法与普通光纤相同、但具有声波传感器功能及光调制功能的塑料光纤。据该学院介绍，这种光纤可用于插入血管内使用的血压传感器、血流传感器以及与布编织在一起的大面积流速传感器等。

　　麻省理工学院开发的麦克风/扬声器。带反射光调制功能的光纤

　　开发此次产品的是麻省理工学院材料科学专业YoelFink副教授领导的研究小组。这种光纤之所以能够用来制造声波传感器等，是因为光纤中安装了由压电材料制成的麦克风与扬声器元件以及反射特定波长光线的元件形成的构造，以此取代了以往传递光线的构造（图1）。

　　麦克风与扬声器的元件构造，是通过以两个电极夹住具备压电性质的树脂--偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P（VDF-TreFE））实现的。向电极通入电流的布线材料中采用了铟（In）。将该构造嵌入直径及厚度为数cm的母材中，并在加热至230℃时拉长（即“拉丝”）。这样，便制成了直径及厚度不到2mm、长度超过100m的光纤，而且截面构造无论从哪里切割都与母材相似。

　　麻省理工学院目前已确认，向该光纤的两根铟线施加5~10V的交流电压后，光纤可在数k~数MHz的较大范围内产生振动注1）。

　　注1）虽然可随着施加的交流频率发生振动，但一般在频率超过数十kHz的超声波范围内才能作为扬声器使用。其原因是，比如频率只有1kHz时，相对于约30cm的声音波长，光纤截面的幅宽只有2mm太小的缘故，即使能够产生近场波，也无法向远处传播。

　　图1:功能及形状不同的“光纤”

　　带麦克风与扬声器功能的光纤母材构造。形状有筒状和磁带状两种。麦克风的增益方向以及扬声器的发声方向因形状不同而异。磁带状光纤还装有可使波长1.55μm附近的光线发生强烈反射的FP共振器，可随振动频率调制反射波。

　　麻省理工学院表示，最初试制品的元件构造的各个截面存在很大不均匀性，无法实现当初设想的功能。造成截面不均的原因是，在温度稍高的拉丝过程中，压电树脂及电极的粘性大幅降低，导致设想的元件构造遭到破坏。为了解决该问题，此次的压电树脂未使用普通聚偏氟乙烯（PVDF），而是采用了偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，电极材料则未使用金属，而是采用添加了石墨的聚碳酸酯（CPC）。