微弯光纤检测

定义与用途

微弯光纤检测属于强度调制型（内调制）光纤传感方法。其基本做法是把裸光纤夹在两块齿形机械变形器之间，当变形器受外力作用产生相对位移时，光纤沿轴向发生周期性微弯，输出光强度随之改变。据此可检测位移、力、压力、振动、加速度等参数；在特定结构下也可用于流速测量。

微弯引起损耗的机理

光在光纤纤芯（折射率 $n_1$）与包层（折射率 $n_2$，$n_1>n_2$）界面上依靠全反射传播。全反射的临界角 ${\phi }_c$ 满足 $\sin {\phi }_c=n_2\mathrm{/}{n}_1$（${\phi }_c$ 为临界角，$n_1$、$n_2$ 分别为纤芯与包层折射率，无量纲）。

直段光纤中，光线在界面上的入射角 $\phi >{\phi }_c$，光被全反射回纤芯，传输损耗很小。光纤发生弯曲时，弯曲段界面法线方向改变，部分光线的入射角减小到 ，这些光线不再满足全反射条件而折射进入包层，形成辐射损耗。微弯使这种不满足全反射条件的反射在整段光纤上周期性重复，累积为可观的传输强度下降。更一般地，微弯损耗由导模与包层模/辐射模的耦合描述，上述射线角判据只适用于部分光线，不能保证所有相关射线角都小于临界角，应与宏弯的临界逸出条件相区别。

强度调制关系

设输入光强为 $I_0$，输出光强为 $I$，则微弯造成的强度调制可表示为 $I=I_{0}T(x)$，其中 $T(x)$ 为受变形器位移 $x$（单位 m）控制的传输系数，。$x$ 增大时微弯幅度增大，$T(x)$ 减小，$I$ 随之减小。因此在固定齿距、固定机械弹性和固定工作段的条件下，输出光强在小位移范围内可近似为位移（或与之成正比的外力）的单调递减函数；当位移或外力增大到使模式耦合趋于饱和时，单调关系不再保持，通过光电探测器把 $I$ 转换为电信号即可读出被测量。

齿状压力结构

齿形机械变形器的作用是把外加压力或位移集中成周期性的局部挤压，使光纤产生周期性微弯。齿距、齿形与压入深度共同决定微弯的空间周期和幅度，从而决定损耗对位移的灵敏度。变形器受力产生位移是该方法工作的必要条件，无位移则无微弯、无附加损耗。

铜管内流体作用的强度读出

一种流速测量结构为：把多模光纤插入顺流放置的铜管中，流体流动使光纤发生机械应变，光纤中传播的各模式相位差发生变化，输出端散斑/局部强度分布随之重排；只有在接收端具有有限孔径、模式选择或指定接收位置，或存在模式相关损耗时，光电二极管读出的光强才会随流速改变，具体关系须在给定结构、介质及工作范围标定，构成光纤流速传感器的工作基础。课件给出的示例光路为：He-Ne 激光经多模光纤进入铜管，流体沿管流动，光纤输出端接光电二极管，信号依次经放大器、带通滤波器（BPF）、整流器、积分器，最后由直流电压表读取。其中铜管长度与直径、激光器类型属于该示例的结构参数，不是微弯法的通用条件。

适用范围与限制

该方法测量的是光强，属于强度调制型，输出与位移、力、压力、振动、加速度等被测量相关；由于直接利用光强变化，光源功率波动、光纤连接与弯曲状态变化、探测器漂移等都会叠加到读数上，实际使用中需通过参考通道或差分结构抑制共模干扰。