非线性光纤光学 南京廖华

  本文关键词：基于声发射和神经网络的木材受力损伤过程检测，由笔耕文化传播整理发布。

光纤 Fizeau 干涉仪的原理如图 5 所示[19]，光源是由 LD 激光器来充当的，并被光纤所接收，然后经由 3dB 耦合器分为两束。光纤两个端点 1 和 2 之间的部分为光纤传感臂，由光纤耦合器出来的激光经过传感臂在 1 和 2 两个端点发生反射，在 1 时为小部分反射，大部分发生透射，而在 2 处所发生的则为全反射。外界的待测声波信号作用于传感臂，使端点 2 反射光的相位发生改变，成为调制信号。这样由 1 和 2 处反射回来的光就会发生干涉现象，并最终经过 3dB 光纤耦合器被光电探测器所接收到。

图 5 Fizeau 光纤干涉仪原理图

如图所示，进入到光纤中的光强设为I0，再经由 3dB 耦合器来分为两束光，

那么就能够用?I0/2来表示两个传感臂的出射光强，，其中?为 3dB 耦合器的插入损耗参量。若用 L代表传感臂光纤的长度，则在第一个传感臂的出射端，有的光被反射，有的被透射。若在光纤端面处，其反射率为Rf，则到达 PD 后的

光强为：

探测用的光纤被声波信号所作用，在不将折射率变化对光波相位影响计算在内时，则只会引起光纤长度的变化，进而引起光波相位和输出干涉光强度的变化。再通过对信号的采集与处理，这样即可实现声波信号的检测。

5、塑料光纤传感器的原理及设计

塑料型光纤的传输原理及结构同普通光纤相同，都是依据光的全反射原理，由纤芯、包层和涂覆层构成。传输原理及结构如图6所示

图 6 塑料光纤结构与传输原理图

POF 的纤芯以及包层都是由有极高的透明性的光学性塑料来组成的，这就要求塑料光纤的材料具有很好的透明性以及恰当的折射率。POF 其芯材要使用高度的无定形的非结晶的材料，这是由于光波信号的传输主要是在其芯材当中，因此，芯材主要决定了POF 本身传输的损耗。其芯材常见的种类有聚碳酸酯 PC、聚苯乙烯 PS、PMMA、等聚合物材料。正常情况下，对 POF 其包层材料也应该做相同的要求，但一般情况下对其的要求会相应的降低一些。常见的 POF其包层材料有聚-4-甲基-戊烯-1PMP、PMMA、乙烯-醋酸乙烯 EVA、氟化透明树脂等。 综上所述，塑料光纤也是由三部分组成的。其中，纤芯和包层都是由高分子光学透明材料制成，包层外的涂敷层是为了起到保护作用，又可增加柔韧性，最外层为保护套，同样为了起到坚固及保护的作用[20]。

塑料光纤的优缺点：

石英玻璃光纤拥有巨大的带宽、良好的传输性能等优点，然而它同时也存在着很多的缺点。而塑料光纤存在着自己的优势[21-23]：

(1) 制造成本低。在原材料当中，塑料是极其便宜的。

(2) 塑料光纤拥有较大的芯径。这样塑料光纤的使用范围就被大大增加了，使其应用于传感器的信息传输介质和语音、数据通信成为可能。

(3) POF 的连接方式简便，且耦合效率还很高。

(4) POF 有很高的柔韧性，POF 的材料有很多优点：透光性能良好；材料轻而柔软，抗弯曲、抗冲击强度高，易于加工。

(5) 塑料光纤对振动的不敏感特性，使得其适合应用在弯曲或是变形的情况之下。

(6) 低损耗的窗口也存在于可见光的波段。因为 650nm 或者 780nm 波段的波长是我们经常使用的，这样我们就能够使用价位比较低的 LED(用于低速率的场合)，也可使用LD 甚至 DVD 的光源(用于高速率的场合)。

由于 POF 存在着上述诸多的有点，从而大大提高了它的可应用性。

POF 当然也存在缺点：

(1) 耐热性差，耐热性能是来评价 POF 的可用性和耐久性的重要指标。一般的 POF只能在40℃—80℃温度范围内使用，可以在 200

℃左右工作的塑料光

纤只有极少数。我们可以通过对材料掺杂来影响 POF 的对温度的耐受性。

(2) 在通讯系统中的应用不是那么广泛，其影响因素是由于它的带宽相对比较小。

(3) 塑料光纤必须在可见光区工作是由于近红外区的OH 离子吸收而造成的；POF损耗高，码速有限也主要是由大分子内部散射引起的。

针对塑料光纤的上述缺点，随着研究的不断深入与扩大，塑料光纤应用发展的前景也是极其广阔的。

6、反射式塑料光纤声发射传感器

POF 的纤芯和包层均是由光学塑料所构成的。POF 其在某些方面比石英玻璃光纤存在许多优势，如：具有较大的芯径、较方便的接续方式和较好的柔韧性等优点。利用塑料光纤的上述优点，可用于补充石英光纤不足之处。因此，塑料光纤制造的传感器继承了光纤传感器的众多优点，并具有自己独特的优势。通常研究的塑料光纤传感器为反射式强度调制型，其具有许多优点。

反射式强度调制型的光纤传感器的原理如图7 所示。S 为光源，D 为探测器。由光源 S 发出的光，到达我们所要检测的物体的表面；再经由被测物体的反射而被接收光纤所接收，再进入到光电检测系统。则由检测系统所探测到的电信号U0可以表示成[25]：U0?f(d)。在芯径 r、数值孔径 NA、被测物体、光电检测系统已经确定的情况下，那么检测到的电压U0就只于位移 d 相关。由此可

见，要想测量出被测物体的微小位移就只要测量与分析输出电压U0即可。实际应用中可以采用不同的光纤束结构：光纤粗细不同，排列方式不同。通常这种传感器所用光纤的芯径都比较粗，是为了提高耦合效率，而塑料光纤正好满足其要求。此种传感器的输出特性及反射光强是其设计技术的关键。

图 7 反射式强度型光纤传感器原理图

7、总结

POF 具有很多优点，如：便宜的价格、简单的制造方式、快捷的接续方法和较好的柔软性等，

其作为一种理想的传输介质被广泛的应用在短距离通信网络

之中，其在很多领域中正扮演着非常重要的角色：计算机局域网、光纤到户(FTTH，Fiber To The Home)、校园网、语音和图像的传输、汽车和飞机内部通信网以及多媒体设备中数据等。

采用塑料光纤制成声发射传感器，与传统的光纤传感器相比，所拥有的优点包括：具有较简单的结构，较低廉的造价，且易于实现等。今后在提高其稳定性等方面取得成效，就可能应用于一些恶劣的环境进行无损检测，具有广阔的应用前景和应用价值。

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  本文关键词：基于声发射和神经网络的木材受力损伤过程检测，由笔耕文化传播整理发布。