一种新型的曲率塑料光纤传感器

一种新型的曲率塑料光纤传感器

郭潇潇 刘婷婷 布海迪且 ·阿卜力米提

江苏大学机械学院 江苏镇江 212013

摘要：本文从光线传输理论方面，提出了光纤曲率传感器的传感原理。从而提出了一种新型的光强调制型光纤曲率传感器，直接以结构的曲率为被测量。通过在传感器的敏感区涂一层石墨来提高传感器的灵敏度，并保护敏感区在安装过程中不被损坏，非常适合用于智能结构宏弯变形的测量。

关键词：光纤传感器 曲率 塑料

1. 引言

曲率光纤传感器是光纤传感器应用的重要一部分。结构状态的监测是智能结构需要解决的首要问题,其应用环境对智能结构中的传感器提出了许多特殊的要求。对于智能结构,应力、应变、弯曲变形等是其传感器需要监测的重要参量。很多情况下,应力、应变与结构的弯曲变形同时产生,由于结构的应变、应力和曲率3个参量之间具有一定的函数关系,因此,测量结构弯曲变形的大小,可间接获得结构的应变和内部应力信息。测量结构弯曲变形的传感器有很多种,但都有其自身的局限性。

文中研制的光纤曲率传感器非常适合用于智能结构弯曲变形的测量和薄结构的应变检测，属于光强调制型光纤传感器，具有体积小、结构简单、成本低、可区分弯曲方向等特点。

2. 传感机理

塑料光纤（Plastic Optical Fiber，POF）又称聚合物光纤，是一种由高折射率的聚合物纤芯基质和低折射率的聚合物包层材料制作而成的光纤，与石英光纤类似可用于曲率传感，但与石英相比有着明显的易弯曲、不易折断、成本低廉的优势，因此本文利用塑料光纤进行研究。

POF中芯包界面由于材料折射率分布不同使得光在光纤波导内传输时发生失真现象，产生散射损耗。当光纤弯曲时，表面处各光线入射角发生改变会使得散射损耗发生改变，从而引起输出光功率发生改变。因此，可以通过类比平面光纤损耗原理来分析传感机制。当弯曲光纤简化等效为平直光纤时，由于界面的不均匀性引起光纤散射损耗将成为传输损耗的主要成分。图1是光线在平面光纤传输过程中的反射和散射视图，其中 是平面光纤的纤芯、包层和衬底材料折射率，B是具有入射角O的随机入射光束，沿y-z面分布。

图1平面光纤粗糙界面的表面散射

根据瑞利理论，表面散射后的反射功率 为：

（1）

其中 是电场分量， 是真空中的光速， 是平面光纤表面折射率分布的均方差； 是介质中的波长， ， 是真空中的波长。则衰减系数为：

（2）

其中 是有效厚度； 是表面特性指数， ； 是沿z方向的功率分量（即沿y轴的单位长度的功率）。将这种等效模型应用于实际塑料光纤，见图2，可以对其进行直观的分析。

图2光纤弯曲时光线传输示意图

如图2所示，光纤在半径为的点P附近弯曲，O为圆心。经过第一个弯曲区域的界面时入射角从O增加到通过几何关系可以得到：

（3）

此时新的衰减系数为：

（4）

将式（3）代入式（4）进行计算，可以得到：

（5）

从式（5）可以看出，当塑料光纤发生弯曲时，随着弯曲半径的减小和入射角的增加，衰减系数减小，表面散射损耗减小，输出光功率增加。

3. 传感器结构

未经处理的光纤对弯曲不敏感，即使弯曲半径减小到直径的1/20以下,输出光强也仅变化不到1%。因此需在光纤的一侧加工出敏感区，其结构如图 1所示。将光纤在其 30°～60°圆周上平行地沿轴向去除的包层长约8mm，露出纤芯。采用模具热压成型法在其纤芯表面加工出锯齿形敏感区, 其加工温度控制在100～110 ℃之间。

图1加工有敏感区的光纤

在敏感区加工完毕后,为了将敏感区泄漏出来的光完全被吸收而不让它们再反射或散射回到光纤的内部,并减少外界杂散光对传感器的影响,对敏感区结构做了改进：在敏感区表面涂一层吸光层 (石墨)。此处介质和金属形成复合波导,TM模被泄漏损耗掉,能量从光纤耦合到介质-金属复合波导中。镀膜后可提高传感器灵敏度，并保护敏感区在安装过程中不被损坏。

对于直接粘贴在结构表面的传感器，以含黑色染料糊的树脂涂覆于敏感区表面，对外界的杂散光起到隔离的效果，同时增强了敏感区处的机械强度。

4. 结束语

针对结构的曲率测量问题，提出出了一种光纤曲率传感器。在光纤的一侧的纤芯上加工出锯齿形敏感区, 并涂上一层石墨作为吸光层以增强传感器的灵敏度，并保护敏感区在安装过程中不受损坏。并从理论上分析出传感器的输出理论。

光纤曲率传感器成本低、灵敏度高，适合检测结构的宏弯变形，可用于虚拟现实技术或作为触觉传感器用于机器人避障检测等。

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