光纤与电缆及其应用技术!"#$%&’($)*+,-’*%#+$%.&)’*
/00/年第1期2341/00/
!收稿日期"/0056506/78!修订日期"/00/601659
!作者简介"周涛:5791;<=
男=湖北省广水市人=武汉理工大学机电学院学生4
!作者地址"湖北省武汉理工大学马房山校区西院9>
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理论研究
光纤电场传感器的有限元分析
周
涛
:武汉理工大学机电学院=湖北武汉C D E E F E <
!
摘要"介绍了具有压电聚合物护套的光纤电场传感器的有限元分析=这种光纤电场传感器能响应500G H
至10IG H 的频率J 采用有限元分析可以预知低频段:轴向非约束<04057+&K L :M N O <
的相位偏移和在高频段:轴向约束
+&K L :M N O <的相位偏移J 当频率高于9IG H
时=光学响应主要是光纤和聚合物护套组合材料的径向谐振J 模拟预测的谐振尖峰和合成理论推算出的谐振尖峰具有很好的一致性J
!
关键词"有限元分析8光纤电场传感器8压电聚合物护套!中图分类号"R 2/
1>!
文献标识码"S !文章编号"500T 6570P :/00/<016000760B
U V W V X Y Y Z Y [Y W X \W \Z ]^V ^_‘‘V a Y b _c X V d Y Z Y d X b V d ‘V Y Z e^Y W ^_b
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0引
言
电场传感器由单模光纤充当电场传感元件=该光纤带有一个横向行进的压电聚合物护套J 将该光纤放入平行金属电极之间施加电压=在金属电极之间产生电场=由于逆压电效应=使压电护套内产生了应变=该应变又直接传递给光纤=使光纤的折射率%长度和直径发生变化=进而使纤芯中传播的光波发生相位偏移J
有限元分析:(-S <可用来模拟传感器的构造=可以精确地模拟光纤聚合物护套内部的逆压电效应J 下面介绍采用(-S 模拟该光纤电场传感器的响应以及单模光纤中相位偏移的宽频响应J
5(-S 模拟
图5示出了光纤电场传感器的结构以及压电
&M ’(
:聚偏氟乙烯<护套的偶极子方向J 图/中的网状结构表示的是光纤和聚合物护套组合材料的横截面:取其一半<=单模光纤的包层直径为5/1(O =压电护套厚度为10(O J 在轴向对称负荷状况下=通常可采用二维非对称元素给出一个合适的网状方案J 然而=我们现在所讨论的这个结构涉及的是非对称外部负荷=因此采用三维(-S 来模拟单模光纤J
在(-S 分析中=由于元素三角形:四面体<在整理时过于呆板=因此=除了在非关键性的面积中作为装填元素外=应尽量少用8而元素四边形:六面体<很适合于三维分析=能以较低的代价提供精确的解=并且四边形:六面体<又比三角形:四面体<有更好的收敛性J 因此使用六面体元素的三维分析可得到很高的精度且容易计算J 故采用适当的P 结点线性六面体元素表示纤芯%包层和压电护套的每一区域)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))J
万方数据
"
0:!!8!;:!"8";:!"8+
<
(0!(
式中8!=8"和8+分别是>=?和@方向上的应变A :!!和:!"是光弹系数&6是有效折射率&7是行进的长度&4.是真空中单位长度内的光波数*在表!中给出了光纤和B /C #聚合物护套材料的特性*
"声波传播
如图!所示&将一对平行金属电极置于B /C #
护套两侧&当施加电压时&在该光纤传感器中产生了横声波&使压电护套沿偶极子方向压缩或扩展&而且还感应出轴向应变和非对称径向应变&使光纤的长
度=
折射率发生了变化&这些应变导致了光的相位偏移0参见式0!((*
表D 光纤和E F G H 聚合物材料的特性参数
光纤
参数
B /
C #
聚合物!
(
密度I J K L M 9+""..密度I J K L M 9+!N O .纤芯直径I P M ,
绝缘常数
!+
包层直径I P M !"-弹性模量I QB R "S -T!.
+
纤芯折射率!S ,U 泊松比
.S +V 弹性模量I QB R N S +T!.,护套厚度I P M -.
泊松比.S !N 压电常数I M L /9!
’
光波长I P M
.S U W "!=W "+U T!.9!"
真空中单位长度W
""!T!.
9!"内的光波数!S .,N T!.
N 光弹系数’
:!!.S !"!:
!".S "N .
注’!(没有定向过的B /C #聚合物
*
3]I Y 0+(
式中]为弹性模量*由式0"(和式0+(可得&在B /C #聚合物中的声波速率为!!O -M I ^&在光纤中的声波速率为-N U .M I ^A B /C #中的声阻抗率X !为"S !!T !.U J K I 0M "
L ^(&光纤中的声阻抗率X "为
!S "U N T !.N J K I 0M "
L ^(&声能透射率_‘可由下式
计算5!<
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_‘3
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声能反射率_b 为’
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