光纤振动传感器.docx

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1、第一章绪论1.1 引言自20世纪70年头美国Coming公司制造出第一根低损耗光纤至今，光纤通信技术从试验室走向产业，快速壮大，并开展成为年产值逾千亿元、当今信息时代的支柱之一。与之相伴生的光纤产业链的另一个分支一一光纤传感技术产业，在经验了由零星探讨走向集中开发、由军用步入民用、由单点监测走向分布式网络监测之后，近年来正大踏步地走向产业腾飞之路随着当今军事、工业、民用等领域自动限制系统的飞速开展，作为系统核心的传感技术在人们的生活中得到了越来越广泛的应用。而伴随对传感性能的不断提育的要求，很多新型的传感器件和方法被不断研制出来“作为传感潺件应用的光纤传感器，具备了灵敏度高、动态范围大、不受电

2、诙扰等突出的优点。在包括强度、频率、波长、偏振调制等多种光纤传感形式当中，相位调制型具有最高的灵敏度，而分布式相位调制型光纤振动传感器那么可以实现连续高精度定位传感，具备广袤的应用前景。光你破术简介光纤传感涔的历史可追溯到上世纪70年头，那时，人们开场意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成种新的干脆交换信息的根底，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。由于其具有常规传感器所无法比较的优点和广袤的开展前景，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的探讨力度，也涌现出很多成果“但它仍存在诸如价格昂贵、技术不够成熟等瓶颈，这使得它在工程上的应用较少。鼓近涌现的很多成果无论是在价位上还

3、是技术上都有了新的突破。随着新方法、新工艺不断被引入,大量低价位高性能光纤传感器而世，而光纤与其他学科理论相结合，不仅使光纤传感器在信号检测精度、传输减损、信号处理方面有了很大的提高，而且其应用领域也越加广袤。1.3 光纤传感聂的应用光纤传感耦作为一种优势明显的新型传感器不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被快速推广，其本身产品也不断推层出新，显示出强大的生命力。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、土木工程、水利电力等各个领域显示其应用活力。光纤传感器的应用范圉很广，几乎涉及国民经济的全部全要领域和人们的日常生活，尤其可以平安

4、有效地在恶劣环境中运用，解决了很多行业多年来始终存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面：城市建立中桥梁、大坝、油田等的干预陀螺仪和光栅压力传感器的应用。在混凝土中嵌人光纤传感器或加强性光纤凝聚物在匕机场用干预型光纤振动传感版系统监测交通HH2.在电力系统，须要测定湿度、电流等参数，如对高压变压器和大型电的定子、转子内的温度检测等。由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中运用，只能用光纤传感器。在石油化工系统、矿井、大型电厂等，须要检测氧气、候狙化合物、等气体，采纳电类传感器不但达不到要求的精度，更严峻的是会引起平安事故3。因此,探讨和开发高性能的光纤气敏传感器，可

5、以平安有效地实现上述检测,在环境监测、临床医学检测、食品平安检测等方面，由于其环境困难，影响因素多，运用其它传感器达不到所须要的精度，并且易受外界因素的干扰，采纳光纤传感罂可以具有很强的抗干扰实力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、便利、精确地检测。目前，我国水源的污染状况严峻，临床检验、食品平安检测手段比较落后，光纤传感涔在这些领域具有极好的市场前景.医学及生物传感器、医学临床应用光纤辐射剂狂计、呼吸系统气潦传感系统、圆锥形微型测量氧气浓度及其他生物参数用探测级轨化物及其他化学污染物、光纤外表细胞质粒基因组共振生物传感器、生物适应系统应用于海水监测、生化技术、医药。1.4 光纤传

6、感技术的开展光纤传感技术及其相关技术的快速开展，满意了各类限制装置及系统对信息的获得与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系统信息获得与传输核心器件的光纤传感器的探讨显得更为重要。在上述两种典型应用中，光纤传感器起着重要作用，有着突出的优点，但也存在焦急待解决的问题（如光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变更、探测器老化等因素的影响.组成光纤传感器各局部元件的本身性能对测量精度的影响等）。仔细探讨光纤传感器的各组成局部元器件的性能（有效抑制光源波动、减小光纤传输损耗），特殊是进一步改良敏感元件的制作工艺及构造、探尢新的敏感机理，充分发挥微处理技术和计算机软件功能

7、以改善和补偿光纤传感器的性能，开展数字、集成化和自动化、工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感涔是今后的探讨开展趋势。光纤传感器的开展趋势有如下几个方面：（1）光纤光栅传感网：光纤光拙是最近几年开展快速的光纤无源器件，它在光纤通信、光纤传感等领域都有广袤的应用前景。光纤光楣是用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锚离子相互作用引起折射率的永久性变更）在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。利用这特性可构成很多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器，例如：光纤激光器、光纤泄波器、光纤波分更用器，以

8、及用于应力、应变、温度等参量检测的光纤传感器和各种（简洁或困难的）光纤传感网。目前已有采纳光纤光栅测属应力、应变、湿度等参兄以及构成光纤生物.化学传感器的很多报道，主要内容是如何提裔灵敏度，扩大动态范困，提高灵故度的途径，包括变更包层材料，变更光纤构造，变更光纤成分等。另外，采纳光纤光栅构成多参量传感器和光纤传感网也是目前探讨热点之一。（2）分布式光纤传感网：分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质，利用光波在光纤中传输的特性，给出沿光纤长度方向每一点的被测fit值。这是光纤特有的一种新型传感器，它可给出大空间里温度或应力等参量的分布值。例如，一个2（）kin的分布式温度传感器，可给出20km内每

9、点（例如每米或每5m）的温度值构成分布式光纤传感器.这里须耍解决两个问题：一是传感元件能够给出被测砧沿空间位置的连续变更值：二是精确给出被测量的所在空间位置。对于前者，可利用光纤中的传输损耗、模福合、传播的相位差、非线性效应（例如光波的频移）等给出连续分布的测量结果：对丁后者，可利光时域反射技术、扫描干预技术等给出被测量的所在空间位置。（3）用于智能材料和构造的光纤传感技术：在材料和构造的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，传感元件可对构造的状态参数（如应变、温度、损伤程度等）进展实时测量；赤动元件可对构造状态作必要的谢整或限制，可保证构造平安运行并工作在最正确状态。因为这种构造具有肯定

10、的“智能，故称为智能构造眨。这种光纤传感器由于具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电硬干扰电绝绥性好、带宽大等优点，可以同时作为传感元件和传输媒质,并实现多点或分布式测量，因而它是鼓有前途用于智能构造的传感技术，也是国内外目前探讨热1.5 本论文探讨的主要内容1、 光纤传感器的特点和工作原理2、 光纤振动传感器的根本原理：3、 设计光纤振动传感器，实现声音频谱范用振动的测试。1.6 振动传感测置技术探讨现状二十世纪初，探讨者们就开场对振动测垃技术进展探究探讨。在他们不断的探讨和实践中，振动测量技术渐渐走向成熟，传感测量方法因其独有的优势也逐步开展起来。振动测员主要是测员振动的重要参数，如振幅、频率

11、、速度、加速度及位移等动态参数。将传感器测得的振动信号进展解调并转换为电信号，接着进展信号放大、滤波等处理工作，再将该信号进展分析、显示的整个过程即为动态测量，振动测量属动态测型.振动测量技术随着工程中对振动监测需求的与日俱增而不断开展，涌现出大量高质量的测量设备和先进的测量方法。目前，振动测量的方法主要包括机械式、电气式和光学式三类。(1)机械式测量方法以杠杆原理为根底，将测得的振动信号放大后干脆记录下来.这种测量方法的抗干扰实力较强.但是测量的频率范用较窄，精度较低：多用于测量低频、大振幅振动。(2)电气式测量方法目前应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信号。这种测量方法灵敏度较高，但

12、是难以反抗电磁场的干扰,很难确保生产的平安性.(3)光学式测量方法是采纳光学传感器，将振动信号的变更转换为光信号的变更来测显。这种测量方法弥补了机械式测量:方法和电气式测量方法的缺陷，具有测量精度高、频带宽，响应速度快、抗干扰实力强、远距离测量等诸多优点。信号的探测、采集和分析是振动测量的核心。计算机技术的飞速开展使信息处理技术有了突K猛进的提高，数据的采集和处理技术已逐步走向成熟。但是目前在工程中应用较多的振动测量技术主要还是基于传统的机械式测量方法，绝大多数振动测量系统都是采纳的电磁类传感器，其灵敏度较低、测地距离短、抗干扰实力差，远远无法满意工程应用的需求，极大地制约了振动测量象域的进步

13、开展。这主要表现在以下几个方面问：(D传统传感器的有效输出是由局部被测能量组成的，这使得传感器的输出能盘较小、内阻较离且灵敏度很低.(2)有的传感器在运用之前须要先将其调零，这使得传感器的长期稳定性降低。(3)传统传感器的抗干扰实力都不太可观，对常见的随机干扰波都无法起到屏蔽或抑制的作用，并且测量频率范围较窄。(普传统传感器不能实现测量的智能化。因此，采纳新型振动传感心来改善现有振动监测系统中的缺陷是振动测量技术的关键问题。振动测量技术的快速开展以及工程应用中对高精度测量技术的需求，使得研制而性能的振动传撼器来进展振动信号的测疥成为必定。光纤传感技术的出现使传感器领域有了突飞猛进的开展，目前国

14、内外探讨者们已经胜利研制出了很多光纤振动传感器，克制了传统振动传感器的诸多缺陷，具有测量精度高、范围广、抗电蹂干扰实力强、适合各种恶劣环境等优点，受到业内人士的广泛重视.第二章光纤的根本特征1970年华裔科学家高馄博士提出/损耗很低的光导纤维的概念以及美国贝尔试验室指出了可在室温下连续工作的半导体激光耦，开创了光通信技术的先河。而作为传输光信号的重要根底媒介一光波导，得到了广泛的关注并取得长足的开展。光纤作为各种光电器件的根底构造，对器件的性能要求起着至关重耍的作用。随著光学器件的不断开展，诞生出满意各种须要的光纤。2.1 光纤构造和种类t光纤是一种光信号的传输媒介，是光导纤维的简称。它是工作

15、在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形的。它以光的形式出现的电磁波能量，利用全反射的原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进.光纤的传输特性由其构造和材料确定。光纤的的根本构造是两层网柱壮媒质，内层是纤芯，外层是包层。最内层的纤芯是一种截面积很小、质地脆、易断裂的光导纤维，制造材料可以是石英、玻璃或塑料。纤芯的外层由折射率比纤芯小的材料制成。由于纤芯与包层之间存在着折射率的差异，光信号得以通过全反射在纤芯中不断向前传播。光纤的最外层是起爱护作用的外套。通常是将多根光纤扎成束并襄以爱护层制成多芯光缆。包层外基纤芯图一光纤构造光波在光纤中传输时,由丁纤芯边界的限制，其电磁场解不连续。这

16、种不连续的场解称为模式。光纤的分类方法有很多种。按传播模式的数量可以分为单模光纤和多模光纤。只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，能同时传输多种模式的光纤称为多模光纤。按纤芯折射率分布的方式可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤.前者纤芯的折射率是匀称的，在纤芯和包层的分界面处，折射率发生突变：后者折射率是按肯定的函数关系随光纤中心径向距离而变更的。按传输的偏振态，单模光纤有可进一步分为非保偏光纤和偏振保持光纤.其差异是前者不能传输偏振光，而后者可以。按制造的材料分，光纤有：（1）高纯度熔石英光纤，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dBkm,一般小于IdB/km：（2）多组分玻璃纤

17、维,其特点是芯包层折射率可在较大范困内变更，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段般为IdB，m；（3）塑料光纤,其特点是本钱低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；（4）红外光纤，其特点是可透过近红外（1.5um）或中红外（-IOumJ的光波：（5）液芯光纤,特点是纤芯为液体,因而可满意特殊须耍；（6）晶体光纤，特点是纤芯为单晶，可用丁制造各种有源和无源光纤器件。2.2第三章光纤传感器的特点和工作原理.光纤传感卷的特点近年来，传感潺在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向开展。在这一过程中，光纤传感器这个传感谓家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁扰

18、和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能：绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如裔温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器有极高的灵敏度和精度、固有的平安性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、集传感与传输于一体、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感常受到世界各国的广泛重视。光纤传感胧已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量并且在生产过程自动限制、在线检测、故障诊断、平安报警等方面有广泛的应用前景。总体来说

19、光纤传感器具有很多优点，概括如下：(1)高灵敏度：例如目前用的马赫一泽德光纤干预仪能检测md的相位差，假设光源的波长为IPm,相当于I(TUm光程差。即采纳干预型光纤传感器可测特别小的物理量。(2)抗电磁干扰：般电磁辐射频率比光波须率低的多，所以在光纤中传播的光不受一般电凝噪声的影响，此外光纤中的渐衰场只限于在包展中离纤芯数微米处，而通常光纤包层都在10am以上，因此在多芯光缆中纤芯间具有良好的抗电磁申音性能.(3)电绝缘性和化学稳定性：光纤本身是一种化学性能稳定的富绝缘物质，且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件，因此光纤传感器不仅化学稳定性好，而且电绝缘性能也高，特殊适用丁电力工业和化学工业

20、中须要高压隔离和易燃易爆的恶劣环境。(4)良好的平安性：光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量时.，不存在漏电和电击的危急。故近年来医用光纤传感耦特别活泼。(5)可分布式测量：一根光纤可以精神测出沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，从而可以实现长跑离连续测控，并由此形成具备肯定规模的监测网，提高监测水平。(6)传输容量大：由于光纤可以传输大容量信息，因此以光纤为母线,收集各传感点的信息来代替笨?6的多芯水下电缆。并且通过复用技术，还可以实现准分布式的光纤监测。(7)运用寿命长：光纤的主耍材料是石英破璃(型料光纤一般比较少见)，外裹裔分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器

21、更大的耐久性。尤其是在土木工程中，地下水是个不行回避的重要问题，光纤的这种特性减翊了地下水对传感器的腐蚀影响，从而提高运用寿命。(8)轻细柔韧便于安装埋设：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，防止了匹配的问题,便于安装埋设。此外，光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形态敏然，易于远拒惑监控和多功能传感等优点，使得它在建筑桥梁、电力工程、煤炭化工、地质探矿、勺油勘探、地震波检测、医疗卫生、军事制导等领域有着极为重要的应用.光纤传感卷的工作原理光纤对很多外界参数有忖定的敏感效应。探讨光纤传感原理就是探讨如何应用光纤的这些效应，探讨光在调制区内与外界被测参数的相互作用，实现对外

22、界被测参数的“传和感的功能，这是光纤传感涔的核心。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒脑。明显，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变更，将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变更.因此，人们发觉假如能测出光波参数的变更，就可以知道导致光波参数变更的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以干脆测量的信号的技术.由丁光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且由F光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(振幅、相位、

23、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而干脆或间接发生变更，从而也可聘光纤用作传感元件来探测各种物理量。图2是光纤传感器的原理构造图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或谢制区、光检测等局部组成。光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生变更，特殊如温度、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.，都会使这些参量发生相应变更。光纤传感器就是依据这些参量随外界因素的变更关系来检测各相应物理量的大小。光源光检费图2光纤传感原理筒图光纤传感器的分类：光纤传感器

24、可以探测的物理属很多，已实现的光纤传感器物理址测址达70余种【51然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变更调制传输光光波的某参数，使其随之变更，然后对已调制的光信号进展检测，从而得到被测物理S1.光纤传感潺按其作用不同可分为两种类型：一类是功能型（传感型）传感器：另一类是非功能型（传光型）传感器.功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为械感元件，被测量对光纤内传输的光进展调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变更,再通过对被调制过的信号进展解调，从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制,多采纳多模光纤。优点:构造紧

25、凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，本钱高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。非功能皇传感渊是利用其它敏感元件感受被测量的变更，光纤仪作为信息的传输介痂，常采纳单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术：比较筒洁实现，本钱低。缺点：灵敏度较低。好用化的大都是非功能型的光纤传感器。光纤传感罂按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器。光纤传感器按被测时象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感涔、光纤流速传感器

26、等。在各种光纤传感器中，光纤干预型传感器以其简洁的构造和较高的灵敏度在试验探讨、实际应用中占据了较高的位置。在光学测量领域，干预料量技术是物理量检测中最为精幽的技术之一。光纤干预型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器.其根本原理是利用被测对型对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变更，而导致光的相位变更，使两束单色光所产生的干预条纹发生变更，通过检测干预条纹的变更用来确定光的相位变更盘,从而得到被测对象的信息.通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用蹂致伸缩效应的电潦、磁场传感涔：利用电致伸缩的电场、电压传感错以及利用光纤SagnaC效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等6】。

27、20世纪7()年头低损耗光纤出现以后，光纤干预型传感器的研制有了长足进屣，并很快得到实际应用。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应用已经有一百多年的历史，广泛应用下高辨别率试验室测量装近。早期的光学干预仪感测局部是用传统光学元件组成，具有受待测量影响而变更光特性的功能，如温度、压力、振动等.但是，以自由空间作为干预光路的般干预仪，由于其体积大，空气易受环境温度、声波和振动的影响，使干预料量不稳定、精确度低，同时调整也较困难，所以限制了它在一般场合卜的好用性。目前的干预仪都是以光纤为感测局部，光纤直承受待测址作用而变更其中传导光的特性。用光纤代替自由空间作干预光路的

28、光纤干预仪有两个突出的优点：一是削减了干预仪的长瞥安装和校准的固有困雄，并可使干预仪小型化：二是可以用加长光纤的方法使干预光路对环境参数的响应灵敏度增加.这样，传统的光学干预仪从试脸室中走J出来，并成为高机械强度和精细敏捷的生产现场运用的仪表。利用单模光纤作为光路的干预仪，可以解除相干光在空气中传播带来的空气扰动及声波的干扰而引起的空气中光程的变更造成的光学干预仪工作不稔定性。光纤光波干预可以把相位的变更转变为光能的变更。因而，光纤传感器可进展由光波相位变更和光纤干预两局部组成的相位调制，以克制光探测器不能干脆感受相位变更的缺乏。利用逆用电效应,将电信号转变为光纤几何尺寸的变更来实现相位调制或

29、解调。相位调制光纤传感器是以被测量引起敏感光纤内传播的光波产生相位变更，再利用干预料量技术把相位的变更变换成光强的变更，来进展传感测量“在光纤干预仪中，采纳/相位调制光纤应变传感器、光纤电流传感涔、光声气体光纤传感潺和位移光纤传感潺等。第四章锥形光纤的构造和传光特性，锥形光纤的构造通常惟形光纤的加工方法仃两种：腐蚀法和融拉法。前齐的特点是光纤包层直径沿传播渐渐减小，而纤芯直径除/在小端旁边时渐渐变小，其余局部根本不变。后者可以看成在锥形区域内包层和纤芯的直径沿纤轴方向均渐渐变小，包层和纤芯的直彳仝之比保持恒定。这里探讨的是后者的锥形光纤。本论文中所用的锥形光纤是通过对一般单模阶跃石英光纤进展拉

30、锥制造而成,因此其传输特性与一般堆模光纤的传输特性类似，探讨的依据也来源于一般光纤的分析方法。图1锥形光纤的几何剂面图锥形光纤的几何剖面图如图1所示。其中1是光锥长度，A是光锥推度，a是光纤锥的祖端半径，b是尖端半径。通过简洁计算可得锥形光纤儿何参数之间的关系：a-bf1、a=arctanI1.J/其它参数已经设定的状况下，尖端直径越大，A越大；光纤的锥形过渡区越短，即1值越小相对的推向A就越大，惟形变更也就越锐利。在试验中用自制的热拉伸装置把光纤侧面拉成直锥形，锥形光纤顶端锥体的角度及其变更愈大愈光滑，锥形过渡区越短，传输效率就越高。4.2锥形光纤的特性锥形光纤因其特有的构造，在进展光的传输

31、以及与1.D等光源或其他器件耦合时也表现出很多与唠柱形光纤不同的特性，如低的传输损耗和高的耦合效率。4.2.1 锥形光纤的传输损耗依据光在光纤中的传输和损耗理论，光在圆柱形光纤中传输时，沿轴向单位长度的反射次数和每次反射所引起的传输损耗。分别为：I1.=(2)ABdeIank=-IO1.gp(3)其中，d为光纤内径；。为激光光束与光纤轴线的夹角：P为光纤内反射膜的反射率。可见，单位长度上的反射次数越多，激光能量的损耗就越多。图2是激光光束在IQI柱形光纤中传播时的示意图。图2光在圆柱形光纤中的传播光在锥形光纤中传播时的示意图如图3所示图3光在光纤锥中的传播示意图假定椎形光纤的推度夹角为2激光光

32、束的入射角为激光在第和其次次反射之间沿轴向所传输的距离为x,其次和第三次之间反射所传输的距鹰为士,依次为七3通过几何计算可得到:x,2x,VJ激光在单位长度的锥形光纤中的反射次数3为：Itan(8-2)-Iana小n=(4)把式(4)与式(2)相比较可以看出，激光在锥形光纤中的反射次数少于在圆柱光纤中的反射次数，并且，由于反射角的增大，在一样的传播距离内，激光走过的路程削减了。这样来,激光在锥形光纤中的损耗要小于在网柱光纤中的损耗,另外，激光在圆柱光纤中反射时每次反射的入射角不变，而在锥形光纤中第n次反射时的入射角为:0=；To-(2n-1.)(5)2入射角随反射次数的增加而增大，反射率也渐渐

33、增大。从以上看出，锥形光纤在传输激光能量时，既可以削减激光光束在光纤中的反射次数,还使激光在传输过程中入射向渐渐增大，从而缩短了光束传播的路径,也增大反射率，使得该光纤的传输损耗进一步降低，远小于同类型的圆柱形光纤。图4单模锥形光纤构造示意图应用光纤水听耦光纤传感器和水声换能器在海洋技术上具有极大的应用价值和潜在的应用价值.光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术根底上的水卜声信号传感器，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统转换为声信号信息.相比传统水听器具有灵极度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的开

34、展潜力.光纤水听涔按原理可分为干预型，强度量，光栅型等。干预型光纤水听器关键技术已经逐步开展成熟，在局部领域形成产品：光纤光栅水听罂那么是当前探讨热点。探讨的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、扰相位衰落技术、信号处理技术、多路更用技术以及工程技术等。光纤水听器按传感原理分为强度型、干预型和光纤光栅型等.强度型光纤水听器，依据光纤微弯损致使光功率变更。干预型光纤水听器基于光学干预，通过水中声波对光纤的压力而变更的光纤纤芯折射率或长度所引起的光纤中传播光束光程变更，通过检测其相位得到水声信息。光纤光栅型光纤水听器基于原理，其传感光栅四周的应力随水中声压变更。光纤水听器探讨始于上

35、世纪70年头末美国海军试验室，各兴盛国家相继投入了大量人力物力做探讨，取得了很多成果。在军事应用上，随着潜艇噪声降低，电声纳探测灵极度接近极限值，光纤水听器将大有用武之地.我国的光纤水听器探讨也已取得较大进展，在一些技术指标上到达国际水平，但主要处于理论和试验阶段，好用化、工程化光纤水听器还未见报道。第四章结论随着光纤传感技术的开展，光纤传感器因其体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电腋干扰、本质平安等优点而获得J广泛应用“光纤振动传感器主要有光纤光栅型和干预型两种类型的传感器。由于光纤光栅型的传感器传感性能主要由其基材的性能所确定，测量频率范围较低：而干预型振动传感器构造困难.易受外部环境干扰，不适合

36、在检测现场应用.两种振动传感器都具有本钱较高，解调比较困难的缺点。为了解决目前光纤振动传感器所存在的问题，本文设计了一种新型的光纤传感器实现振动的测量。此光纤振动传感器是以拉推型单模光纤为根底制作的一种光纤振动传感器，聘传感器粘贴在被测物体上实现对被测物体振动的测量。具有构造荷洁，易于制作，测量频带宽，解调本钱较低等优点，是一种很具开展潜力的光纤振动传感器.传统的压电陶瓷类传感器受电磁干扰比较严竣，在强电场环境下其有效性受到很大制约，因此对于基于光纤的振动检测技术的探讨具有重要意义。光纤振动传感器目前主要是光纤干预仪类型，它的优点是灵敏度很高，缺点是构造困难，本钱高，易受温度漂移和外界干扰的影响。本文介绍的光纤振动传感器具有本钱低、构造简洁、不受温度漂移影响的特点，它以单模惟形光纤作为根本构造，通过在拉锥过程中变更一些构造参数，使之对外界环境（压力、振动等）有较灵敏的响应，从而实现对这些信号的检测。