智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)第1頁/共57頁2

高錕華裔物理學(xué)家，為光纖通訊、電機(jī)工程專家，華文媒體譽(yù)之為“光纖之父”、普世譽(yù)之為“光纖通訊之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大學(xué)校長。2009年，與威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎。

第2頁/共57頁3高錕——光纖之父博伊爾&史密斯——發(fā)明CCD圖像傳感器2009年諾貝爾獎物理學(xué)獎得主Fig.1貝爾實(shí)驗(yàn)室GeorgeSmith和WillardBoyle將可視電話和半導(dǎo)體存儲技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型Fig.2現(xiàn)代CCD芯片外觀第3頁/共57頁4

趙梓森中國工程院院士，國際電氣電子工程師協(xié)會高級會員，他是我國光纖通信技術(shù)的主要奠基人和公認(rèn)的開拓者，被譽(yù)為“中國光纖之父”。武漢中國光谷的首席科學(xué)家，因?yàn)橛H手研發(fā)了中國第一根實(shí)用化光纖光纜和第一套光纖通信系統(tǒng)，而被譽(yù)為“中國光纖之父”。第4頁/共57頁5什么是光纖？光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。第5頁/共57頁6傳輸原理：光的全反射（又稱全內(nèi)反射，指光由光密介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）射到光疏介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中折射率小的）的界面時，全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象）第6頁/共57頁7全反射的應(yīng)用：光導(dǎo)纖維和液晶背光光纖在結(jié)構(gòu)上有中心和外皮兩種不同介質(zhì)，光從中心傳播時遇到光纖彎曲處，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，而保證光線不會泄漏到光纖外。背光是電子工業(yè)中一種常用的照明形式，常被用于LCD顯示器上。背光是從顯示器的側(cè)邊或是背后提供照射，其光源可能是電光面板，發(fā)光二極管等。電光面板提供整個表面均勻的發(fā)光。與光纖的要求不同，在邊緣型LED背光中，要求破壞發(fā)光管（LightingPipe）表面的全發(fā)射條件，使得光線可以從發(fā)光管中泄漏出來而產(chǎn)生照明的效果。第7頁/共57頁8微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（lightemittingdiode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。在日常生活中為什么光纖被用作長距離的信息傳遞？

通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護(hù)層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對光纖的傷害，如水、火、電擊等。光纜分為：纜皮、芳綸絲、緩沖層和光纖。光纖：同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。

第8頁/共57頁9光纖的芯在多模光纖（在給定的工作波長上傳輸多種模式的光纖）中，芯的直徑是50μm和62.5μm兩種，大致與人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。而單模光纖（只能傳一種模式的光纖

）芯的直徑為8μm~10μm。第9頁/共57頁10為什么要有包層和涂覆層呢？芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套，俗稱包層，包層使得光線保持在芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，即涂覆層，用來保護(hù)包層。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆，易斷裂，因此需要外加一保護(hù)層。第10頁/共57頁11光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：頻帶寬：頻帶的寬窄代表傳輸容量的大小。損耗低：光纖傳輸損耗還有兩個特點(diǎn)，一是在全部有線電視頻道內(nèi)具有相同的損耗，不需要像電纜干線那樣必須引入均衡器進(jìn)行均衡；二是其損耗幾乎不隨溫度而變，不用擔(dān)心因環(huán)境溫度變化而造成干線電平的波動。

重量輕：光纖是玻璃纖維，比重小，使它具有直徑小、重量輕的特點(diǎn)，安裝十分方便。

抗干擾能力強(qiáng)：因?yàn)楣饫w的基本成分是石英，只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用，在其中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶艌龅挠绊?，故光纖傳輸對電磁干擾有很強(qiáng)的抵御能力。光纖中傳輸?shù)男盘柌灰妆桓`聽，利于保密。

保真度高：因?yàn)楣饫w傳輸一般不需要中繼放大，不會因?yàn)榉糯笠胄碌姆蔷€性失真。

成本不斷下降：由于制作光纖的材料(石英)來源十分豐富，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本還會進(jìn)一步降低第11頁/共57頁12光纖的應(yīng)用通信應(yīng)用利用光導(dǎo)纖維進(jìn)行的通信叫光纖通信。一對金屬電話線至多只能同時傳送一千多路電話，而根據(jù)理論算，一對細(xì)如蛛絲的光導(dǎo)纖維可以同時通一百億路電話！鋪設(shè)1000公里的同軸電纜大約需要500噸銅，改用光纖通信只需幾公斤石英就可以了。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡可導(dǎo)入心臟和腦室，測量心臟中的血壓、血液中氧的飽和度、體溫等。用光導(dǎo)纖維連接的激光手術(shù)刀已在臨床應(yīng)用，并可用作光敏法治癌。

第12頁/共57頁13傳感器應(yīng)用光導(dǎo)纖維可以把陽光送到各個角落，還可以進(jìn)行機(jī)械加工。計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、汽車配電盤等也已成功地用光導(dǎo)纖維傳輸光源或圖像。如與敏感元件組合或利用本身的特性,則可以做成各種傳感器,測量壓力、流量、溫度、位移、光澤和顏色等。在能量傳輸和信息傳輸方面也獲得廣泛的應(yīng)用。

藝術(shù)應(yīng)用由于光纖的良好的物理特性，光纖照明和LED照由于光纖的良好的物理特性，光纖照明和LED照明已越來越成為藝術(shù)裝修美化的用途。第13頁/共57頁14光纖技術(shù)與應(yīng)用1,2,3

對什么是光纖有更深的了解了嗎？到此光纖的基本知識介紹完畢。第14頁/共57頁153.1發(fā)展概述

用光導(dǎo)纖維構(gòu)成智能材料的傳感系統(tǒng)是從70年代末開始的.（3個階段）1.把光纖埋入先進(jìn)復(fù)合材料，用來監(jiān)測復(fù)合材料的應(yīng)變及溫度。目的是用光纖完成多種參數(shù)測量和信號傳輸，解決的主要問題是光纖、光纖傳感器和復(fù)合材料類型選擇與設(shè)計(jì)、光纖和復(fù)合材料相容性研究、光纖埋入工藝探索等。

2.大量開展了用光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化、材料承載后動態(tài)性能測試和材料損傷評估等關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)研究。其工程和學(xué)術(shù)上的價(jià)值在于：①促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料，如碳纖維或有機(jī)纖維加強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)件中的實(shí)際應(yīng)用；②光纖傳感技術(shù)和先進(jìn)復(fù)合材料成功地結(jié)合，為發(fā)展智能材料奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。3.90年代初，光纖智能蒙皮完成關(guān)鍵技術(shù)研制和飛行性能評估，進(jìn)入應(yīng)用研究階段。第15頁/共57頁16飛機(jī)裝配光纖智能蒙皮部位示意圖（深色部位）

第16頁/共57頁17第17頁/共57頁18

裝有智能蒙皮的戰(zhàn)斗機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)用于武器裝備外殼的先進(jìn)復(fù)合材料加工成型過程中隨時監(jiān)測熱壓成型工藝中復(fù)合材料的溫度和固化程度，提高了材料使用的可靠度，并可避免安全設(shè)計(jì)余量過大而造成的浪費(fèi)和整機(jī)質(zhì)量的增加，這一直是航空設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難題；(2)起飛前自動進(jìn)行機(jī)身構(gòu)件及蒙皮的非損傷評估，預(yù)測飛行可能性；(3)在飛行過程中，實(shí)時、自動分布監(jiān)測機(jī)身和機(jī)翼的空氣動力學(xué)參數(shù)、所受應(yīng)力及溫度變化；(4)在戰(zhàn)斗過程中，實(shí)時監(jiān)測飛行負(fù)載環(huán)境及損傷的形成，評價(jià)戰(zhàn)斗損傷，計(jì)算剩余實(shí)力，存貯相關(guān)數(shù)據(jù)，并向飛行員提供飛行限制；(5)著陸以后，智能蒙皮向地面人員提供積累的飛行數(shù)據(jù)以及有關(guān)結(jié)構(gòu)完整性和所需維修的信息。第18頁/共57頁19使用光纖傳感器的智能材料分為智能結(jié)構(gòu)和智能蒙皮。1.智能結(jié)構(gòu)：智能結(jié)構(gòu)是指大型智能構(gòu)件(如橋梁、建筑物、大壩的水泥預(yù)制件，核反應(yīng)堆、火箭發(fā)射臺的基座，航天飛行器、陸地戰(zhàn)車和潛艇的框架等)。它可測量結(jié)構(gòu)的載荷大小、振動幅度、溫度和應(yīng)力分布、應(yīng)變、扭曲、蠕變、層解、微裂及其他損傷，廣泛用于載荷引起的結(jié)構(gòu)疲勞和地震災(zāi)害預(yù)測等軍用及民用大型設(shè)施。2.智能蒙皮：智能蒙皮則用于機(jī)翼、潛艇外殼、推進(jìn)器葉片等。它除具有智能結(jié)構(gòu)的性能外，與內(nèi)部執(zhí)行器配合，還可自動檢測和控制殼體振動、流體與表面引起的噪音，自動檢測和調(diào)節(jié)材料的多種性能(如反光性能、反輻射性能、電或熱導(dǎo)性能、通風(fēng)滲透性能等)，或改變自身形狀。第19頁/共57頁20第20頁/共57頁21第21頁/共57頁22第22頁/共57頁23第23頁/共57頁243.2智能材料中傳感系統(tǒng)的選擇

集成型智能材料由在基體材料中埋人傳感系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行器(驅(qū)動)系統(tǒng)組成。對傳感器的選擇應(yīng)滿足如下基本要求。

(1)滿足強(qiáng)度相容要求；

(2)滿足界面相容要求；

(3)滿足工藝相容要求；

(4)滿足場分布相容要求；

(5)滿足尺寸相容要求。第24頁/共57頁25

先進(jìn)復(fù)合材料中埋入光纖傳感陣列取得成功，正是因?yàn)樗鼈兓痉仙鲜鰝鞲薪橘|(zhì)與基體材料的相容關(guān)系。對復(fù)合材料來說，其纖維增強(qiáng)組分和分層結(jié)構(gòu)適合光纖的埋入。對光纖來說，它更具有其他類型傳感介質(zhì)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。光導(dǎo)纖維具有傳感和傳輸雙重功能，即光纖中傳輸光波，經(jīng)一定結(jié)構(gòu)的光纖傳感回路，可以使光的傳輸強(qiáng)度、偏振、相位或波長受到待測物理量的調(diào)制，被調(diào)制后的信號仍在光纖中傳播。省去了金屬導(dǎo)線，減少了電磁干擾。光纖作為傳輸載體時直徑細(xì)小、質(zhì)量輕、易彎曲、耐高溫并便于埋入復(fù)合材料。除此之外還具有抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕、傳輸帶寬較寬、用單根光纖可以進(jìn)行波分復(fù)用和復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。作為傳感介質(zhì)，用光纖組成的干涉型傳感器可測量溫度、壓力、速度、流量、位移、電磁場等多種物理量并且有極高的靈敏度。因此光纖已成為當(dāng)前智能材料首選的信息傳感和傳輸?shù)睦硐胼d體。第25頁/共57頁263.3智能材料用特種光纖

光纖的基本屬性使它適于作為集成型智能材料的傳感，但在具體應(yīng)用中還有一些特殊要求。1.細(xì)徑光纖2.特殊涂覆光纖（聚酰亞胺涂層光纖）3.抗疲勞光纖4.單模保偏光纖5.雙模光纖6.同心雙通光纖第26頁/共57頁27普通通信光纖光纖呈圓柱形，它由纖芯、包層與涂敷層三大部分組成第27頁/共57頁281、纖芯

纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微米），其成份是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜劑如二氧化鍺，五氧化二磷等。摻有少量摻雜劑的目的是適當(dāng)提高纖芯的光折射率(n1)

。

2、包層

包層位于纖芯的周圍（其直徑d2約125微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜劑（如三氧化二硼）的作用則是適當(dāng)降低包層的光折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率。

3、涂敷層

光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。一般涂敷后的光纖外徑約1.5厘米。第28頁/共57頁29第29頁/共57頁30第30頁/共57頁311.細(xì)徑光纖

普通單模光纖的芯/包層直徑為9-125um，多模光纖為50-125um，加上外保護(hù)涂層直徑為250um。先進(jìn)復(fù)合材料中典型的加強(qiáng)碳纖維的直徑只有10um。因此相對來說，光纖顯得太粗，埋入復(fù)合材料后會在光纖周圍形成樹脂富集區(qū)。樹脂富集區(qū)的大小與光纖直徑及光纖與碳纖維相對取向有關(guān)。在其他條件相同的情況下，當(dāng)光纖與碳纖維垂直走向時，樹脂富集區(qū)最大。隨兩種纖維走向逐漸平行，樹脂富集區(qū)也隨之減小。樹脂富集區(qū)大小隨光纖直徑的變化示于表3-1，它隨光纖直徑的減小而縮小。復(fù)合材料受到外力作用時，在樹脂富集區(qū)將發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力值可能比均勻復(fù)合區(qū)高出一個數(shù)量級，造成復(fù)合材料強(qiáng)度下降。第31頁/共57頁32光纖周圍樹脂富集區(qū)光纖外徑對形成樹脂富集區(qū)的影響光纖外徑（樹脂富集區(qū)（光纖外徑樹脂富集區(qū)1409.86904.26603.14402.29第32頁/共57頁33

一般來說，埋入復(fù)合材料作傳感系統(tǒng)使用的光纖，要求外徑尺寸與復(fù)合材料的層間厚度相近。

制造細(xì)徑光纖可以采用兩種方法。對小長度光纖(幾米至上百米)一般用腐蝕法制造。如果用量較大，應(yīng)在光纖拉絲工藝中加以控制。除光纖直徑以外，光纖在復(fù)合材料中相對于加強(qiáng)纖維（如碳纖維）的走向及埋入深度（埋在第幾層之間），對復(fù)合材料強(qiáng)度及檢測靈敏度有顯著影響。但這種影響又與光纖直徑、涂層材料、復(fù)合材料基體和測量的量等多種因素有關(guān)。因此針對不同使用要求，應(yīng)做出權(quán)衡選擇。第33頁/共57頁34從已完成的大量研究工作中，可得出如下結(jié)論。(1)光纖夾在加強(qiáng)纖維的兩直排層間并與加強(qiáng)纖維平行，對復(fù)合材料沿此方向的拉伸強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。這種結(jié)構(gòu)適于測量復(fù)合材料的溫度和應(yīng)變。(2)用于檢測斷裂臨界負(fù)載造成的損傷時，光纖應(yīng)埋在靠近最大應(yīng)變的表層，并與上、下直排加強(qiáng)纖維正交，如圖3-3中⑤，這樣可獲得最大靈敏度。(3)光纖外徑小于復(fù)合材料層間厚度(120um～140um)

時材料的拉伸強(qiáng)度下降較小，不影響大多數(shù)情況下使用。(4)埋入光纖根數(shù)對強(qiáng)度有一定影響。用不用數(shù)量的光纖埋入單位體積材料中。第34頁/共57頁35光纖與加強(qiáng)纖維的各種取向

光纖埋入復(fù)合材料剖面圖

第35頁/共57頁362特殊涂覆光纖

智能材料傳感器光纖埋入復(fù)合材料時，光纖涂層應(yīng)具有較高的彈性模量和良好的耐高溫性能。常用的紫外固化丙烯酸類涂層對光纖的附著力較差，而且固化后仍有明顯的塑性。這種一次被覆光纖在復(fù)合材料中與基體材料的耦聯(lián)性差，不能有效地將應(yīng)變耦合給光纖，因而影響應(yīng)力測量靈敏度。初期的實(shí)驗(yàn)曾使用裸光纖，光纖表面雖具有很好的剛性，但很脆，不能在惡劣環(huán)境下使用。光纖涂層的耐高溫特性主要是復(fù)合材料成型工藝要求的。由于使用的樹脂不同，復(fù)合材料的熱壓成型工藝一般在150℃～390℃下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，如果在復(fù)合材料中埋人丙烯酸涂層光纖，當(dāng)復(fù)合材料溫度為160℃時，由于涂層性能下降，導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度下降8％，縱向壓縮強(qiáng)度下降26％；而高于175℃時丙烯酸涂層根本不能使用。第36頁/共57頁37

聚酰（xiān

）亞胺涂層光纖可同時解決上述兩個問題。聚酰亞胺類樹脂如熱固性聚酰亞胺(PI)已被正式用于高性能光纖涂層，它固化后有足夠的剛性，長期使用溫度可達(dá)300℃～350℃，短期可經(jīng)受450℃～500℃高溫，200℃以下工作壽命超過50000h，因此聚酰亞胺涂層光纖是智能材料與結(jié)構(gòu)中使用的惟一理想實(shí)用光纖。

金屬涂層光纖也是特殊涂覆光纖的重要品種。金屬涂層一般都具備耐高溫和剛性好的特性，滿足埋人復(fù)合材料加熱成型的工藝要求和應(yīng)力耦合的必要條件。但常用的鋁涂層光纖埋人復(fù)合材料后，由于鋁的氧化層與樹脂親合力差，影響了它的實(shí)際使用。當(dāng)前金屬涂層光纖用于樹脂基和水泥基智能材料的研究工作正在進(jìn)行，研究的重點(diǎn)是尋找適當(dāng)?shù)慕饘偻繉?。它?yīng)與樹脂有較強(qiáng)的親合力或能抗水泥堿性的腐蝕，同時還要滿足涂覆工藝方便、成本低廉的要求。第37頁/共57頁383抗疲勞光纖影響硅基光纖長期可靠性的兩個重要因素是由靜態(tài)疲勞引起的光纖強(qiáng)度衰減和滲氫引起的光纖損耗增加。在光纖的制作過程中，光纖表面不可避免地會產(chǎn)生某些微裂紋和微缺陷，在使用過程中，如成纜、敷設(shè)造成的彎曲和應(yīng)力，引起光纖微裂紋末端應(yīng)力集中，使光纖強(qiáng)度下降。另外，即使光纖在存放狀態(tài)下，由于環(huán)境中微量氫氣和水汽也會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，使微裂紋擴(kuò)展。埋入智能材料的光纖多用于測量應(yīng)力和溫度，因此經(jīng)常處在應(yīng)力狀態(tài)中。此外，隨溫度的變化復(fù)合材料的有機(jī)樹脂也會產(chǎn)生少量的氫氣。這些因素都會加速光纖的疲勞過程，使已埋入復(fù)合材料的光纖的長期可靠性受到影響。解決這—問題的有效途徑是使用抗疲勞光纖。第38頁/共57頁39

抗疲勞光纖是在光纖包層外用化學(xué)氣相沉積法直接沉積一層碳膜，然后再涂上一層聚合物防護(hù)涂層。碳膜厚度一般為30nm～80nm，光纖結(jié)構(gòu)如圖所示。

光纖作為智能材料傳感系統(tǒng)埋入復(fù)合材料后不可能再更換或取出。在智能材料經(jīng)常受到應(yīng)力載荷或完成自適應(yīng)功能而變形的情況下，光纖的長期可靠性和壽命尤為重要，因此必須使用抗疲勞光纖。碳涂覆光纖也是一種特殊涂覆光纖。

碳涂覆工藝最成熟，且成本低、抗疲勞性能優(yōu)異，已成為抗疲勞光纖的主要品種。它在軍用光纖信號及圖像傳輸、海底光纜等場合也有重要應(yīng)用。第39頁/共57頁404單模保偏光纖

普通單模光纖中有兩個偏振模傳輸。在理想狀態(tài)下，它們應(yīng)有相同的偏振狀態(tài)。但在實(shí)際中由于光纖幾何形狀不標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)不對稱、工藝中的殘余應(yīng)力等原因，使偏振模的簡并退化而形成兩個正交的偏振模。又由于外界溫度、應(yīng)力、微彎等因素的影響，普通單模光纖中產(chǎn)生線性雙折射和圓雙折射，使這兩個偏振模發(fā)生耦合，因而光纖內(nèi)部傳輸光束的偏振狀態(tài)在空間和時間上是隨機(jī)變化的。光纖傳輸狀態(tài)的不確定性，妨礙了它在干涉型光纖傳感器中的應(yīng)用。單模保偏光纖具有在傳輸過程中保持入射偏振狀態(tài)不變的作用。制作這種光纖的主要途徑是人為增加光纖內(nèi)部雙折射，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述各種因素的影響，可使被激勵的一個偏振本征模的功率不會耦合到另一個正交模中去，從而保持了入射偏振狀態(tài)的穩(wěn)定。這種保偏光纖也叫高雙折射光纖。第40頁/共57頁41

幾種保偏光纖的結(jié)構(gòu)（a）橢芯光纖（b）熊貓光纖（c）碟形光纖（d）橢圓包層光纖

第41頁/共57頁425雙模光纖

光波是一種電磁波。它在光纖這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸必須滿足麥克斯韋方程和由光纖材料、結(jié)構(gòu)決定的邊界條件。由于工作波長和光纖結(jié)構(gòu)不同，光纖內(nèi)部可以傳輸不同的電磁波。不同的傳輸模具有不同的電磁分布(強(qiáng)度分布)、不同的傳播常數(shù)(傳播速度)、不同的偏振狀態(tài)。單模光纖只允許最低階模，在弱波導(dǎo)理論中叫LP01模(或基模)傳輸。如上節(jié)所述，纖芯具有圓形截面的單模光纖的LP01模由兩個偏振方向相互垂直的本征模組成，這兩個模有相同的強(qiáng)度分布和不同的偏振狀態(tài)。第42頁/共57頁43滿足單模傳輸?shù)臈l件是

對一確定的光纖，滿足上式的波長叫截止波長為：是除基模LP0l以外的次低階模LPll模的截止波長，當(dāng)工作波長時該模截止，只有基模LP0l傳輸當(dāng)時，LP0l和LP11模同時傳輸，工作在這種狀態(tài)下的光纖稱雙模光纖。

第43頁/共57頁44LP11模由奇模LP11O和偶模LP11e組成。實(shí)際上雙模包括了LP01、LP11O和LP11e中各自相互垂直的六個本征振模，如圖所示。

LP11和LP01模的強(qiáng)度分布和偏振結(jié)構(gòu)（a）LP01模（b）LP11模第44頁/共57頁45

智能材料中的光纖傳感系統(tǒng)，一般是把光纖組成干涉儀使用。光纖干涉儀由信號光纖(信號臂)和參考光纖(參考臂)組成。信號光纖受到外界待測場的擾動，感生了傳輸光束的相位變化，與參考臂未受擾動的相位比較，通過相干光強(qiáng)度的變化檢測出待測量。如果把干涉儀信號臂和參考臂都埋人復(fù)合材料，參考臂光纖也受到與信號臂同樣的影響，產(chǎn)生同樣的相位變化，就起不到參考作用，因而無法進(jìn)行相干檢測。保偏光纖或雙模光纖傳輸?shù)牟煌Ｊ?，隨外界環(huán)境變化將產(chǎn)生相位差。因此在智能材料實(shí)際應(yīng)用時，用單根光纖(保偏光纖或者雙模光纖)中兩個不同的傳輸模分別作為信號通道和參考通道，代替組成光纖干涉儀的兩根光纖，是解決上述問題的理想方案，并已取得滿意效果。智能材料中使用保偏光纖或雙模光纖的意義不僅是完成上述干涉測量，而且由于用一根光纖代替兩根光纖，使埋人光纖根數(shù)減少一半，這對提高復(fù)合材料強(qiáng)度和簡化嵌埋工藝都是非常重要的。第45頁/共57頁466同心雙通光纖同心雙通道光纖可同時檢測出智能材料外力沖擊的位置和大小。光纖由同軸雙層纖芯組成，中心是弱波導(dǎo)單模纖芯，周圍是環(huán)狀大數(shù)值孔徑多模纖芯。當(dāng)光纖在復(fù)合材料中受到擾動時，光從弱波導(dǎo)單模纖芯泄漏到多模環(huán)形芯中。在環(huán)形波導(dǎo)中，光的傳播速度與在單模芯中不同。在光纖檢測端能收到兩個信號，一個來自中芯，一個來自環(huán)形芯。信號到達(dá)時間差確定了擾動位置，環(huán)狀多模芯中光的強(qiáng)度確定了擾動大小。這種光纖于80年代末期由美國布朗大學(xué)開發(fā)成功并用于智能材料實(shí)驗(yàn)。最近兩年俄羅斯航空學(xué)院詳細(xì)研究了這種光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)對檢測靈敏度的影響并對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。第46頁/共57頁47光纖傳感器在生活中的應(yīng)用1、在民用工程布局中的使用民用工程的布局監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的范疇。力學(xué)參量的丈量關(guān)于橋梁、礦井、地道、大壩、建筑物等的保護(hù)和情況監(jiān)測是非常重要的。通過丈量上述布局的應(yīng)變散布，能夠預(yù)知布局有些的載荷及情況。光纖光柵傳感器能夠貼在布局的表面或預(yù)先埋入布局中，對布局一起進(jìn)行沖擊檢測、形狀操控和振蕩阻尼檢測等，以監(jiān)視布局的缺點(diǎn)情況。別的，多個光纖光柵傳感器能夠串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，對布局進(jìn)行準(zhǔn)散布式檢測，能夠用計(jì)算機(jī)對傳感信號進(jìn)行長途操控。第47頁/共57頁48①光纖傳感器在溫度測驗(yàn)中的使用它是使用光在光纖中傳輸能夠發(fā)作后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，那么它在光纖中傳輸?shù)囊黄鸩粩喟l(fā)作后向散射光波，這些后向散射光波的情況受到地點(diǎn)光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改動，將散射回來的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢測解調(diào)后，送入信號處置體系便可將溫度信號實(shí)時顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時刻對這些信息定位熱電偶測溫最高1600多度，藍(lán)寶石測溫可達(dá)2000多度。第48頁/共57頁49②光纖傳感器在裂縫監(jiān)測中的使用當(dāng)?shù)叵律畈堪l(fā)作變形時，必將揉捏砂漿體發(fā)作相應(yīng)形變，致使裂縫或滑移（錯動）的發(fā)作，進(jìn)而導(dǎo)致埋入光纖的微彎，該處的微彎將損壞光波導(dǎo)的全反射條件，使光損耗添加，發(fā)作衰減，使用光纖監(jiān)測地下深部變形，即是基于微彎衰減的傳感機(jī)制。埋入洞內(nèi)的光纖，全部是傳感有些，受深部變形作用，光纖發(fā)作微彎或撓曲，致使光損耗增大第49頁/共57頁50③光纖傳感器在光纖光纜中的使用

光纜通訊在我國已有20多年的使用史，這段前史也即是光通訊技能的發(fā)展史和光纖光纜的發(fā)展史。光纖光纜在我國的發(fā)展能夠分為這樣幾個階段：對光纜可用性的討論；替代市內(nèi)局間中繼線的市話電纜和PCM電纜；替代有線通訊干線上的高頻對稱電纜和同軸電纜。這兩個替代應(yīng)該說是完成了；現(xiàn)正在替代接入網(wǎng)的主干線和配線的