《光纤传感应用综合实验讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤传感应用综合实验讲义（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤传感应用综合实验GCFS-B实验讲义武汉光驰科技有限公司Wuhan Guangchi Technology Co.,LTD 目录光纤端场传感实验的理论基础4实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线12实验二、透射式横(纵)向光纤位移传感（光纤数值孔径测量）15实验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量）22实验四、微弯式光纤位移/压力传感28实验五、光纤端场角度传感33实验六、光纤温度压力传感（传光型）37实验七、光纤火灾预警系统实验40实验八、光纤照明实验系统设计45前言光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现
2、产生了光纤通信技术，而光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的.在光通信系统中,光纤被用作远距离传输光波信号的媒质,显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度,压力,电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强,相位,频率,偏振,波长等的变化.因而,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术.光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小
3、,重量轻,耗电少等.光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型.功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称为传感型光纤传感器,或全光纤传感器.非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输来自远外或难以接近场所的光信号,所以也称为传光型传感器,或混合型传感器.光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器,相位调制光纤传感器,频率调制光纤传感器,偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器.光纤传感器按被测对象的不同,又可分为光纤温度传感器,光纤位移传感器,光纤浓度传感器,光纤电流传感器,光纤流速传感器,光纤液位传感器等.光纤
4、传感器可以探测的物理量很多,已实现的光纤传感器物理量测量达70余种.然而,无论是探测哪种物理量,其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已调制的光信号进行检测,从而得到被测量.因此,光调制技术是光纤传感器的核心技术.鉴于以上专业背景,我们开发并研制出了光纤传感实验系统.本实验系统的开放性,分立式可以增强学生对光纤传感的感性认识,提高学生的基本技能.在实验教学过程中,从实验原理,实验内容到实验仪器,实验方法等都很适合工科物理实验的教学要求,将应用技术和基础实验很好的结合起来.本手册仅供使用光纤传感实验系统从事物理实验以及光纤传感应用的教师,学生和技术人员参考
5、.限于作者水平,手册中谬误难免,恳请读者不吝批评指正.衷心希望在我们的共同努力下,能够推进光纤传感这一先进技术的学习和普及.光纤端场传感实验的理论基础 光纤传感器一般可分为两大类，即功能型传感器（Function fiber optic sensor）和非功能型光纤传感器（Non-function fiber optic sensor）。所谓功能型是利用光纤的本身的特性把光纤作为敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器；而非功能则是指利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输敏感区传来的是经过被测元件调制了的光信号，因此，也称作传光型传感器。就外部调制非功能型传光型光纤传感器而
6、言，如反射接收型、直接透射型等，一般是由入射光源光纤、调制器件和接收光纤组成。接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射光场强度相关。因而，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要。这类传感器在早期的设计中，许多的人都采用了均匀性假设，即在光纤的数值孔径内，纤端出射光场的光强沿径向分布是均匀的。这明显与实际不符，只能局限于一定的条件下的近似应用。Hoogenboom等人曾提出纤端出射光场强分布可用高斯型函数来描写。Takai与Asakura计算了入射光为激光光源情况下的多模光纤纤端出射场的性质，给出的平均强度分布为 (1
7、) 式中 散斑场的相干长度 光纤芯半径 光波长 对于如下情况：坐标参数z0，光源为相干长度=0的热光源，公式(1)失效。为了给出一个既与实际相符，又具有通用性的纤端光场场强分布表达式，有必要分析一下光纤出射端面的光场特性。首先，按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布，在稳态情况下大部分光功率集中分布在基模及低阶模附近。叠加后的光纤端面光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。其次，沿光纤传输的光可近似看成平面波，此平面波场在纤端出射时，可等价近似为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射，因而实际情况更接近两者的某种融合。为分析计算方便，我们作如下假设。
8、光纤端面：光场是由光强均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯发布的高斯光束两部分构成的；出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射场和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成。为方便起见，我们借助于复数运算形式，依上述假设，在光纤端面光场复振幅为 (2)这里，p、q为两光场的权重系数，且满足条件：。 (3) (4)分别代表光纤端面均匀分布的平面波场和沿径向高斯分布的高斯光场。式中，为高斯光束半径；为一相关参数，于是 (5)上式所描述的场由源平面沿Z轴向自由空间的传输可由惠更斯-菲涅耳衍射积分来描写，依旁轴近似，在XOY平面内的光场为 （6）图1 光纤端光场坐标分析系统对于由图1，因为k1/R，且|r
9、-u|z,所以对R用泰勒展开有 (7)为方便计，取轴的方向（角度由此量起）使=0，则有 (8)考虑到Bessel函数的积分表达式 (9)及关系式 (10)由公式8可得 (11) 对于有 (12) 于是，点处光场的场强为 (13) 式中，。公式（13）表明，纤端出射光场强度分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。由高斯光束半宽定义，有 (14)为将与光纤芯半径联系起来，将代入公式（14）有 (15)又依几何光学有 (16)这里，为光纤的最大出射角。 实际上，纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，我们综合上述两种近似情况，引
10、入无量纲调和参数，给出修正结果如下 (17) 实际使用过程中，为了方便，对于渐变折射率分布光纤有时选取；对于阶跃折射分布光纤通常选。对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本上被平均化了，即取,。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便，上式通常取如下形式 (18)式中 由光源耦合到发送光纤中的光强 纤端光场中位置处的光通量密度 表征光纤折射率分布的相关参数 与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为 (19)这里，为接收光面积，即纤芯面。 在纤端出射光场的远场区，为方便计算，可用接收光纤端面中心点的
11、光强来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为 (20)实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线实验目的1.了解半导体激光器阈值的概念，测量半导体激光器工作时的光功率、工作电压和工作电流。2.通过测量出来的功率、电压和电流值，描绘半导体激光器的P-I、V-I曲线，学习通过曲线计算半导体激光器的阈值。实验原理常用的半导体光源有半导体激光器(LD)和发光二极管(LED).它们的发光机理都是非平衡载流子的辐射复合且都工作于正向偏置状态.LED的发射光谱半带宽比较窄,波长取决于材料的能带结构及掺杂情况,半导体激光器能发出单色性更好的辐射,且功率更强,方向集中.典
12、型的波长有0.85,1.31和1.55.这两类器件都是快速响应器件,它们的响应时间为秒数量级.由于它们具有体积小,重量轻,功耗低.安装简易以及性能稳定等优点,因而这两种光源不仅成为光纤通信的理想光源,也同样是光纤传感器的最常用的光源. 本实验系统所采用的是LD光源,其中心波长为1.55。半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，激光器发射普通的荧光，其工作状态类似于一般的发光二极管。随着注入电流的增大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔的增益还不足以克服损耗，不
13、能在腔内建立起一定的模式振荡，激光器发射的仅仅是较强的荧光，这种状态称为“超辐射”状态，只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光。 阈值电流（Ith）的测量方法。、图5 半导体激光器的工作特性曲线图5中给出了半导体激光器的典型特性示意图，其中的曲线是输出光功率和工作电流的关系（实线），虚线是对功率和电流的关系一次求导的结果，划线是对功率和电流的曲线的二次求导的结果。一般对阈值的描述常用的有下述几种过程：a，在P-I曲线的快速上升断上取其中的线性部分延长线与横坐标的交点；b，把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那么两条直线的交点就是阈值；c，在dP-dI的曲线上，取上升沿的中点（10和90两点的中点）；d，d2P/dI2的顶点作为阈值点。一般在分析半导体激光器的
