单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,组长,：,伍硕果,组员,：,曾祁泽 刘杰 张浩 陈镇钦 邵琳峰,光纤微弯传感器,光纤微弯传感器,临近周期的光线理论推导,非子午光线下的推导,子午光线下的推导,微弯损耗系数推导推导,组成、优缺点,光纤微弯传感器介绍,圆柱形光纤微弯传感器设计,光纤微弯传感器介绍,光纤传感器的优点,：具有,电绝缘性能好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中使用,等优点而越来越受到人们的重视，各种光纤传感器已相继问世其中微弯光纤传感器是一种重要的光纤传感器光纤微弯传感器提出,：,J,N,Fields,和,J,H,Cole,首次提出光纤微弯传感器原理最早用于美国海军研究所研制的光纤系统中光纤微弯传感器原理,原理,：利用光纤中传播的高阶模内,全反射条件,因待测物理量而受到影响，部分能量在弯曲段从侧面逸出，使光纤中的光通量减少，通过检查光能量的变化，测出相应的物理量。
组成：,由,变形器和敏感光纤,构成敏感光纤则从齿形中间穿过，在齿形板的作用下产生周期性的弯曲当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化，从而导致输出光功率的改变，通过测量输出光功率变化来间接测量外部扰动的大小，从而实现微弯传感器功能优点,：,构造简单、成本低廉、便于装备缺点,：因需要检测分布在平面或者曲面上的很多点，其多个变形器的埋入会对构件的强度产生影响，同时也,不利于实现分布式连续传感,；而且变形齿极易使传感光纤损坏；当构件的变形量较大时，光纤的变形无法与之匹配，故难以在实际工程上应用同时夹板固定面积大，,精度不可调,的缺点也尤其突出微弯损耗系数推导（子午光线）,光纤微弯损耗的射线理论：,当光纤的芯径比光波的波长大很多的时候，可以把光波近似为光线，因此我们可以用几何光学的方法来分析光在光纤中,传播的情况子午光线：,过光纤轴线的平面称为子午面，在子午平面上传播的光纤称为子午光线，由反射定律可以知道，入射光线、反射光线、法线均在同一平面内微弯损耗系数推导（子午光线）,可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，,但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确。
而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证设,光纤纤芯直径为,2a,纤芯折射率为,n1,，,包层折射率为,n2,，,弯曲半径为,R(OD),;,设,光线,P,在,B,点处进入弯曲部分，,B,点离纤芯底部,D,点的高度为,h,光线,P,在弯曲部分,M,界面的入射角为,;,微弯损耗系数推导（子午光线）,可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，,但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证在三角形,BOC,中，根据,正弦定理,：,整理得到：,要使光纤能在弯曲部分传播，需要满足,全反射条件,微弯损耗系数推导（子午光线）,可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，,但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证将,的表达式代入全反射条件得：,当入射光的,h,小于极值时，光线不再满足全反射条件，光线会折射进入包层而迅速被消耗掉。
微弯损耗系数推导（子午光线）,可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，,但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证假设光强分布在光线未弯曲部分为,勃朗体,，在,+,d,内，,光通量,：,不能在光纤弯曲部分传输的光通量为：,总光通量,：,（为光线被光纤捕获并成为光线被光纤捕获并成为束缚光线的最大入射角为束缚光线的最大入射角）,微弯损耗系数推导（子午光线）,得到,光纤的损耗系数,如下：,可以看出此时光纤损耗系数仅与,光纤弯曲的曲率半径,r,有关在,matlab,下，我们假设弱导光纤各项参数,：,线芯折射率,：,包层折射率,：,纤芯半径,：,并得到曲率半径与损耗系数的关系如图：,由图可知，,子午光线微弯损耗系数与微弯半径成反比例关系,，但当,R,增大到一定程度时，损耗系数变为负值，与实际并不相符,仅考虑子午光线并不足够微弯损耗系数推导（非子午光线）,对于,弱导光纤,，有,根据光纤在光纤中传播应满足全反射条件，故,光纤在未弯曲部分近似看作沿直线传播,对于,非子午光纤,，由于,不止在单一平面,内传播，考虑建立三维坐标系，利用向量求解入射光的入射角。
微弯损耗系数推导（非子午光线）,光线,P,进入光纤后入射到弯曲光纤部分与纤芯壁相交于点,A,，,过,A,点作弯曲光纤的横截面，交弯曲纤芯于,B,点,O,点为未弯曲光纤与弯曲光纤交界面上纤芯的中心点，,过,O,点作直光纤的横截面，该横截面与光线,P,的交点为,Q,以,O,点为中心建立直角坐标系,过,o,o,的直线为,Y,轴,直光纤纤芯轴为,Z,轴,过,O,点垂直于,OYZ,平面的为,X,轴微弯损耗系数推导（非子午光线）,设光线,P,入射到弯曲光纤上的入射角为,其中,P0,为入射光线,P,的单位向量，有：,微弯损耗系数推导（非子午光线）,设,B,点的坐标为,设,A,点的坐标为,为,A,在面 上的投影,微弯损耗系数推导（非子午光线）,根据,AB,两点的坐标可得,:,此时我们可以得到,COS,的表达式：,微弯损耗系数推导（非子午光线）,要使光线能在光纤弯曲部分传播，需要满足全反射条件：,故有：,在光纤中，根据对称性，可用柱坐标对,x,y,进行描述：,微弯损耗系数推导（非子午光线）,我们得到能在弯曲光纤中传输的光应满足不等式：,满足上述不等式的,x,y,所组成的面积为,S,，面积,S,内的光线可通过光纤微弯部分，有：,光纤截面积为：,微弯损耗系数推导（非子午光线）,与子午平面损耗系数类似,，我们通过面积之比得到,损耗系数,，,其中,r,、,须满足不等式,在,matlab,下进行仿真运算，可以得到,损耗系数与微弯半径的关系,。
设置光纤尺寸与子午光线的一致）,临近周期的光线理论推导,灵敏度影响因素,：,微弯幅度、微弯数目、微弯周期,其中微弯周期对灵敏度的影响最大，且存在一个与传感光纤有关的临界周期微弯临近周期：,当光纤微弯周期接近临界周期时，光纤中光功率损耗会急剧增加，即光纤传感器灵敏度显著增加通过耦合模式理论分析得到的微弯光纤传感器的临界周期为：,阶跃光纤,渐变折射率光纤,Marcuse D.losses and impulse response of a parabolic index fiber with random bends.Bell Syst Tech J,1973,临近周期的光线理论推导,根据,全反射条件,，最大入射角为：,先不考虑光纤微弯的情形,设,入射光纤第一次与线芯边界交点,的横坐标为,x,，,经过一次,反射后与线芯边界交点,为,可得到一般的交点坐标值，光线,与上边界交于,：,与下边界交于,：,其中,i,表示光线与上下边界相交的次数,可以发现，当光线传输距离,S,后会恢复到最初状态,（两次反射）,：,临近周期的光线理论推导,因而相对与,x,轴此处反射光角度,在的基础上增加了,反射角为,:,经过上边界反射后，光线与下边界交于点：,根据正弦定理，由图可以得到：,y1,y2,经过,m,次反射后，入射光的入射角总增量为：,对于在不同位置以相同入射角入射的光线来说,并不相同,取上式中,x,在,内的平均值,来代表所有入射光线沿,方向入射角,增量,再经下边界反射后,，,光线与,x,轴交角又增加,（,2,）,现在考虑光纤,产生微弯后,的情形,分别用余弦函数描述,上下边界,：,其中,A,为微弯幅度，,T,为微弯周期,当以角,入射的光纤与线芯上边界相交，与,x,轴存在交角,临近周期的光线理论推导,matlab,下求解入射角增量,与 的关系,（其中多次改变折射次数，光纤半径、微弯周期等数值）,可见，,无论折射次数，光纤半径，临界周期取值如何，并未改变图像整体分布,，仅在幅值上产生变化。
在,处，均会有最大的入射角增量这说明,了,当光纤微弯周期与入射光的空间重复距离相等时，光线的入射角增量明显增,大,临近周期的光线理论推导,对于以入射角,入射的光线，经过一段时间传输后，角度将变为,若,即不再满足全反射条件时，传输光将通过折射进入,包层而损耗掉由图可知，要使得损耗最大，则要求,：,入射光的入射角接近全反射的临界角,且光纤的微弯周期,T,要趋近于,结论,：,临近周期的光线理论推导,对于阶跃光纤,：,代入弱导光纤参数,：,将由光线分析得到的微弯光纤传感器的临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期,相比：,可见通过光纤理论推导得到的微弯临近周期与耦合理论得到的微弯临界周期相比在很大程度上相符，,但耦合理论推导过程较复杂，物理意义也不甚明确而光线理论对微弯临近周期进行分析，其物理意义简单明了具体哪个更趋近于真实值尚需进行实验验证圆柱形微光纤弯传感器,设计结构图,圆柱形光纤微弯传感器,内壳示意图,外壳示意图,使用方法及原理,：,在使用微弯传感调制器时，首先将光纤缠绕在内壳的侧面上，然后将圆柱铁棒（螺纹形）插入内壳及外壳的限位孔，再用螺帽固定住内外壳此时，通过扭转螺帽调整各部分的距离，使得光纤不被锯齿挤压，但是要紧挨锯齿并固定好。
当外界温度变化时，引起外壳热膨胀材料产生位移，形成光纤微弯，产生相应的微弯损耗，然后通过检测光功率的大小可以计算出温度的变化圆柱形光纤微弯传感器,圆柱形光纤微弯传感器,圆柱形光纤微弯传感器的系统结构,标定方法,：通过检测光功率计的大小可以计算出温度的变化，然后以光功率的变化为标准，标定温度的变化THANK YOU,。