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2005 届优秀毕业论文[设计]集(第五册理学院)
Collection Graduation Theses (Projects) of SZU 2005 (VOLUME V School of Science)

光纤微弯光线理论分析与
分布式微弯传感器相关实验研究

(理学院应用物理系应用物理学张榕城)
(学号:2001145023)

内容提要:光纤传感技术是国际上七十年代后期伴随着通信技术的飞速发展而迅速发展起来
的一项新技术,它是利用待测物理量调制光纤中光信号的振幅、相位、频率和偏振态等这一原理
来检测待测物理量及其变化的一门科学,目前已经得到广泛的应用。光纤微弯传感器是光纤传感
器的一个重要分支,属于强度调制型光线传感器。本文提出了一种新的光线理论研究光纤弯曲损
耗。从程函方程出发,通过计算光纤弯曲时的折射率变化,数值求解出了弯曲光纤中的光线轨迹。
该理论成功解释了光纤微弯损耗现象。计算表明,光纤弯曲损耗随着光纤曲率半径 R 的减小而
增大。同时利用 OTDR 构成分布式多点测量系统,并进行测试,实验表明,通过各点的损耗分
析,可以测量各点的位移或应变等信号。
关键词:光纤传感器,微弯,损耗,OTDR
教师点评:本毕业设计从光线理论出发,研究光纤微弯损耗。利用微分法,运用光线折射定
律和反射定律通过数学编程和计算机计算,数值求解出了弯曲光纤中的光线轨迹,成功解释了光
纤弯曲损耗的一些现象。同时利用差动式光纤微弯传感器构成分布式多点测量系统,并进行实验
研究。实验结果理想,较好地完成了设计任务书的各项要求。(点评教师:李学金,教授)

第一章光纤传感器的概述
光纤传感器技术的形成及其特点
光纤传感器的历史可追溯到上世纪70年代,那时,人们开始意识到光纤不仅具有传光特性,
且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础,无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的
导光联系起来。1977年,美国海军研究所(NRI )开始执行由查尔斯·M ·戴维斯(Charles )
博士主持的Foss(光纤传感器系统)计划[1],这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后,光纤
传感器在世界的许多实验室里出现。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前
景,很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度,也涌现出许多成果[2]。
光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知,描述光
波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等),这些参量在光纤传输中
都可能会受外界影响而发生改变。如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、
弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,均会使这些参量发生相应变化。光纤
传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。
光纤传感器与传统的传感器相比有许多特点,如灵敏度高、结构简单、体积小、耗电量少、
耐腐蚀、绝缘性好、光路可弯曲,以及便于实现遥测等。因此它一出现就受到广泛重视,而且发
展很快。光纤微弯传感器除了具有一般光纤传感器的优点以外,还有自己独特的优点:所需部件
少,造价低,容易装配等。
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张榕城:光纤微弯光线理论分析与分布式微弯传感器相关实验研究

光导纤维及其传光原理[3]

图1—1 光导纤维基本结构与光线传物
光导纤维的结构如图1—1所示。其中央有个细芯(半径a,折射率n1),作为芯子,直径只有几
十微米,芯子的外面有一圈包层(半径b,折射率n2,n1大于n2),其外径约为100—200µm。光纤最
外层为保护层(半径c,折射率n3>n2)。这样的构造可以保证人射到光纤内的光波集中在芯子内传
输。光纤的芯子是用高折射率的玻璃材料制成的,包层是用低折射率的玻璃或塑料做成的。按照
折射率的分布,又可以分为阶跃光纤和梯度光纤。阶跃型光纤的断面折射率分布之高、低交界面
很清楚,而梯度型光纤的断面折射率分布是从中央高折射率逐渐变化到包层的低折射率。
当光线以各种不同角度人射到芯子并射至芯子与包皮的交界面时,光线在该处有一部分透
射,一部分反射,但当光线在纤维端面中心的人射角Ө小于临界入射角Өc时,光线就不会透射出
界面,而全部被反射。在界面上无数次反射,呈锯齿形状路线在芯内向前传播,最后从光纤的另
一端传出,这就是光纤的传光原理。即为保证全反射要求Ө<Өc这时
ΝΑ= θ= 2 − 2 1/ 2
sin c (n1 n2 ) (1—1)
由式(1-1)可知,某种光纤的临界人射角的大小是由光纤本身的性质—折射率n