第3章智能材料中的光纤传感系统.ppt
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第3章智能材料中的光纤传感系统1第3章智能材料中的光纤传感系统第3章智能材料中的光纤传感系统2高锟华裔物理学家,为光纤通讯、电机工程专家,华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”(FatherofFiberOpticCommunications),曾任香港中文大学校长。
2009年,与威拉德博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享诺贝尔物理学奖。
第3章智能材料中的光纤传感系统3高锟高锟光纤之父光纤之父博伊尔博伊尔&史密斯史密斯发明发明CCD图像传感器图像传感器2009年诺贝尔奖物理学奖得主年诺贝尔奖物理学奖得主Fig.1贝尔实验室贝尔实验室GeorgeSmith和和WillardBoyle将可视电话和半导体将可视电话和半导体存储技术结合发明了存储技术结合发明了CCD原型原型Fig.2现代现代CCD芯片外观芯片外观第3章智能材料中的光纤传感系统4赵梓森中国工程院院士,国际电气电子工程师协会高级会员,他是我国光纤通信技术的主要奠基人和公认的开拓者,被誉为“中国光纤之父”。
武汉中国光谷的首席科学家,因为亲手研发了中国第一根实用化光纤光缆和第一套光纤通信系统,而被誉为“中国光纤之父”。
第3章智能材料中的光纤传感系统5什么是光纤?
光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导工具。
第3章智能材料中的光纤传感系统6传输原理:
光的全反射(又称全内反射,指光由光密介质(即光在此介质中的折射率大的)射到光疏介质(即光在此介质中折射率小的)的界面时,全部被反射回原介质内的现象)第3章智能材料中的光纤传感系统7v全反射的应用:
光导纤维和液晶背光v光纤在结构上有中心和外皮两种不同介质,光从中心传播时遇到光纤弯曲处,会发生全反射现象,而保证光线不会泄漏到光纤外。
v背光是电子工业中一种常用的照明形式,常被用于LCD显示器上。
背光是从显示器的侧边或是背后提供照射,其光源可能是电光面板,发光二极管等。
电光面板提供整个表面均匀的发光。
与光纤的要求不同,在边缘型LED背光中,要求破坏发光管(LightingPipe)表面的全发射条件,使得光线可以从发光管中泄漏出来而产生照明的效果。
第3章智能材料中的光纤传感系统8v微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。
通常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(lightemittingdiode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
v在日常生活中为什么光纤被用作长距离的信息传递?
v通常光纤与光缆两个名词会被混淆。
多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆。
光纤外层的保护层和绝缘层可防止周围环境对光纤的伤害,如水、火、电击等。
光缆分为:
缆皮、芳纶丝、缓冲层和光纤。
光纤:
同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。
中心是光传播的玻璃芯。
第3章智能材料中的光纤传感系统9v光纤的芯在多模光纤(在给定的工作波长上传输多种模式的光纤)中,芯的直径是50m和62.5m两种,大致与人的头发的粗细相当。
而单模光纤(只能传一种模式的光纤)芯的直径为8m10m。
第3章智能材料中的光纤传感系统10v为什么要有包层和涂覆层呢?
v芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套,俗称包层,包层使得光线保持在芯内。
再外面的是一层薄的塑料外套,即涂覆层,用来保护包层。
光纤通常被扎成束,外面有外壳保护。
v纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。
第3章智能材料中的光纤传感系统11光纤传输的优点:
v频带宽:
频带的宽窄代表传输容量的大小。
v损耗低:
光纤传输损耗还有两个特点,一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗,不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡;二是其损耗几乎不随温度而变,不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。
v重量轻:
光纤是玻璃纤维,比重小,使它具有直径小、重量轻的特点,安装十分方便。
v抗干扰能力强:
因为光纤的基本成分是石英,只传光,不导电,不受电磁场的作用,在其中传输的光信号不受电磁场的影响,故光纤传输对电磁干扰有很强的抵御能力。
光纤中传输的信号不易被窃听,利于保密。
v保真度高:
因为光纤传输一般不需要中继放大,不会因为放大引入新的非线性失真。
v成本不断下降:
由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富,随着技术的进步,成本还会进一步降低第3章智能材料中的光纤传感系统12光纤的应用通信应用利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。
一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话,而根据理论算,一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话!
铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜,改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。
医学应用光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室,测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。
用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用,并可用作光敏法治癌。
第3章智能材料中的光纤传感系统13传感器应用光导纤维可以把阳光送到各个角落,还可以进行机械加工。
计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。
如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。
在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。
艺术应用由于光纤的良好的物理特性,光纤照明和LED照由于光纤的良好的物理特性,光纤照明和LED照明已越来越成为艺术装修美化的用途。
第3章智能材料中的光纤传感系统14光纤技术与应用1,2,3对什么是光纤有更深的了解了吗?
到此光纤的基本知识介绍完毕。
第3章智能材料中的光纤传感系统153.1发展概述用光导纤维构成智能材料的传感系统是从70年代末开始的.(3个阶段)1.把光纤埋入先进复合材料,用来监测复合材料的应变及温度。
目的是用光纤完成多种参数测量和信号传输,解决的主要问题是光纤、光纤传感器和复合材料类型选择与设计、光纤和复合材料相容性研究、光纤埋入工艺探索等。
2.大量开展了用光纤传感器监测复合材料固化、材料承载后动态性能测试和材料损伤评估等关键技术项目的基础研究。
其工程和学术上的价值在于:
促进了先进复合材料,如碳纤维或有机纤维加强的树脂基复合材料在结构件中的实际应用;光纤传感技术和先进复合材料成功地结合,为发展智能材料奠定了技术基础。
3.90年代初,光纤智能蒙皮完成关键技术研制和飞行性能评估,进入应用研究阶段。
第3章智能材料中的光纤传感系统16飞机装配光纤智能蒙皮部位示意图(深色部位)飞机装配光纤智能蒙皮部位示意图(深色部位)第3章智能材料中的光纤传感系统17第3章智能材料中的光纤传感系统18装有智能蒙皮的战斗机具有如下优点:
(1)用于武器装备外壳的先进复合材料加工成型过程中随时监测热压成型工艺中复合材料的温度和固化程度,提高了材料使用的可靠度,并可避免安全设计余量过大而造成的浪费和整机质量的增加,这一直是航空设计领域的难题;
(2)起飞前自动进行机身构件及蒙皮的非损伤评估,预测飞行可能性;(3)在飞行过程中,实时、自动分布监测机身和机翼的空气动力学参数、所受应力及温度变化;(4)在战斗过程中,实时监测飞行负载环境及损伤的形成,评价战斗损伤,计算剩余实力,存贮相关数据,并向飞行员提供飞行限制;(5)着陆以后,智能蒙皮向地面人员提供积累的飞行数据以及有关结构完整性和所需维修的信息。
第3章智能材料中的光纤传感系统19使用光纤传感器的智能材料分为智能结构和智能蒙皮。
1.智能结构:
智能结构是指大型智能构件(如桥梁、建筑物、大坝的水泥预制件,核反应堆、火箭发射台的基座,航天飞行器、陆地战车和潜艇的框架等)。
它可测量结构的载荷大小、振动幅度、温度和应力分布、应变、扭曲、蠕变、层解、微裂及其他损伤,广泛用于载荷引起的结构疲劳和地震灾害预测等军用及民用大型设施。
2.智能蒙皮:
智能蒙皮则用于机翼、潜艇外壳、推进器叶片等。
它除具有智能结构的性能外,与内部执行器配合,还可自动检测和控制壳体振动、流体与表面引起的噪音,自动检测和调节材料的多种性能(如反光性能、反辐射性能、电或热导性能、通风渗透性能等),或改变自身形状。
第3章智能材料中的光纤传感系统20第3章智能材料中的光纤传感系统21第3章智能材料中的光纤传感系统22第3章智能材料中的光纤传感系统23第3章智能材料中的光纤传感系统243.2智能材料中传感系统的选择集成型智能材料由在基体材料中埋人传感系统、人工神经网络和执行器(驱动)系统组成。
对传感器的选择应满足如下基本要求。
(1)满足强度相容要求;
(2)满足界面相容要求;(3)满足工艺相容要求;(4)满足场分布相容要求;(5)满足尺寸相容要求。
第3章智能材料中的光纤传感系统25先进复合材料中埋入光纤传感阵列取得成功,正是因为它们基本符合上述传感介质与基体材料的相容关系。
对复合材料来说,其纤维增强组分和分层结构适合光纤的埋入。
对光纤来说,它更具有其他类型传感介质无可比拟的优点。
光导纤维具有传感和传输双重功能,即光纤中传输光波,经一定结构的光纤传感回路,可以使光的传输强度、偏振、相位或波长受到待测物理量的调制,被调制后的信号仍在光纤中传播。
省去了金属导线,减少了电磁干扰。
光纤作为传输载体时直径细小、质量轻、易弯曲、耐高温并便于埋入复合材料。
除此之外还具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、传输带宽较宽、用单根光纤可以进行波分复用和复用等优点。
作为传感介质,用光纤组成的干涉型传感器可测量温度、压力、速度、流量、位移、电磁场等多种物理量并且有极高的灵敏度。
因此光纤已成为当前智能材料首选的信息传感和传输的理想载体。
第3章智能材料中的光纤传感系统263.3智能材料用特种光纤光纤的基本属性使它适于作为集成型智能材料的传感,但在具体应用中还有一些特殊要求。
1.细径光纤2.特殊涂覆光纤(聚酰亚胺涂层光纤)3.抗疲劳光纤4.单模保偏光纤5.双模光纤6.同心双通光纤第3章智能材料中的光纤传感系统27普通通信光纤光纤呈圆柱形,它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成第3章智能材料中的光纤传感系统281、纤芯、纤芯纤芯位于光纤的中心部位(直径d1约950微米),其成份是高纯度的二氧化硅,此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗,五氧化二磷等。
掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率(n1)。
2、包层、包层包层位于纤芯的周围(其直径d2约125微米),其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。
而掺杂剂(如三氧化二硼)的作用则是适当降低包层的光折射率(n2),使之略低于纤芯的折射率。
3、涂敷层、涂敷层光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层,其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。
一般涂敷后的光纤外径约1.5厘米。
第3章智能材料中的光纤传感系统29第3章智能材料中的光纤传感系统30第3章智能材料中的光纤传感系统311.细径光纤普通单模光纤的芯/包层直径为9-125um,多模光纤为50-125um,加上外保护涂层直径为250um。
先进复合材料中典型的加强碳纤维的直径只有10um。
因此相对来说,光纤显得太粗,埋入复合材料后会在光纤周围形成树脂富集区。
树脂富集区的大小与光纤直径及光纤与碳纤维相对取向有关。
在其他条件相同的情况下,当光纤与碳纤维垂直走向时,树脂富集区最大。
随两种纤维走向逐渐平行,树脂富集区也随之减小。
树脂富集区大小随光纤直径的变化示于表3-1,它随光纤直径的减小而缩小。
复合材料受到外力作用时,在树脂富集区将发生应力集中,应力值可能比均匀复合区高出一个数量级,造成复合材料强度下降。
第3章智能材料中的光纤传感系统32光纤周围树脂富集区光纤外径对形成树脂富集区的影响光纤外径(树脂富集区(光纤外径树脂富集区1409.86904.26603.14402.29第3章智能材料中的光纤传感系统33一般来说,埋入复合材料作传感系统使用的光纤,要求外径尺寸与复合材料的层间厚度相近。
制造细径光纤可以采用两种方法。
对小长度光纤(几米至上百米)一般用腐蚀法制造。
如果用量较
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