(好資料)2資料二：光纖傳感器

光纖光纖的全稱稱為光導(dǎo)纖維，它是一種導(dǎo)引光波的波導(dǎo)，是一種新的傳輸介質(zhì)。光纖通訊是以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通訊方式。人們利用光導(dǎo)纖維作為光的傳輸介質(zhì)的研究工作經(jīng)歷了一段艱辛的道路，直到1966年，英籍華人高輥博士發(fā)表了一篇具有歷史意義的論文，從理論上闡述了光纖實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸信息的可能性以后，光纖的研制工作才異常迅速地展開(kāi)起來(lái)。到了被譽(yù)為光纖通訊元年的1970年以后，光纖系統(tǒng)更是伴隨著光纖通訊技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展到了實(shí)用階段。目前，光纖在通訊、傳感、激光治療儀、激光加工機(jī)等許多方面都獲得了應(yīng)用，但其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是光纖通訊和光纖傳感器。相對(duì)于無(wú)線電通訊來(lái)說(shuō)，光纖通訊具有傳輸帶寬、通訊容量大、中繼距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)串音、輕便、材料資源豐富、成本低等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)的傳感器而言，光纖傳感器具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、電絕緣性能好、便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，便于與光纖傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)、體積小、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)榇耍饫w通訊和光傳感器受到人們的青睞，得到了愈來(lái)愈來(lái)迅速的發(fā)展。并且，隨著光纖通訊和光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了光纖在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)，光纖技術(shù)自身的研究也獲得了飛速的發(fā)展。本專(zhuān)題從光纖入手，先了解光纖的結(jié)構(gòu)和一般性質(zhì)，再學(xué)習(xí)光纖的耦合、傳輸特性及在通訊和傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)一 光纖光學(xué)與半導(dǎo)體激光器的電光特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解和掌握半導(dǎo)體激光器的電光特性，測(cè)出半導(dǎo)體激光器在不同工作電流下的輸出功率，求出閾值電流。2通過(guò)對(duì)輸出光的觀察和測(cè)量，了解和掌握光纖的一些光學(xué)特性和參數(shù)測(cè)量方法，進(jìn)一步理解和鞏固光學(xué)的基本原理和知識(shí)。3對(duì)光纖的使用技巧和處理方法有一定的了解。二、實(shí)驗(yàn)儀器：GX1000光纖實(shí)驗(yàn)儀，光纖實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌，半導(dǎo)體激光器(LD)，二維及三維調(diào)整架，光纖夾，光探頭，功率指示計(jì)，光纖刀，顯示屏，音頻信號(hào)源，示波器，一維位移架和12擋光攔頭。三、實(shí)驗(yàn)原理：A光纖結(jié)構(gòu)典型的光纖結(jié)構(gòu)如圖1所示，光纖一般由纖芯、包層、涂敷層及護(hù)套構(gòu)成，是一多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體。纖芯和包層構(gòu)成傳光的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，纖芯位于光纖的中心部位，它的主要成份是高純度的二氧化硅，其余成份為摻入的極少量摻雜劑，如五氧化二磷和二氧化鍺，纖芯的直徑約為515mm，包層也是包含有少量摻雜劑的高純度二氧化硅，包層的直徑（包括纖芯在內(nèi)）為125mm，其折射率略小于纖芯折射率。涂敷層是一種涂料的敷層，使光纖不受外來(lái)的損害，增強(qiáng)光纖的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。護(hù)套是由塑料制成的圓形保護(hù)套，用來(lái)維持光纖的機(jī)械強(qiáng)度。圖1 光纖結(jié)構(gòu)圖光纖是一種新型材料，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1） 光纖有良好的傳光性能，它對(duì)光波的損耗目前可低到0.2dB/km，甚至更低。（2） 頻帶寬，信息量大。因?yàn)楣饫w傳輸?shù)氖枪狻，F(xiàn)在所用的光纖頻率在10141015Hz的范圍內(nèi)，比微波高5個(gè)數(shù)量級(jí)，即光的頻率特別高。（3） 光纖本身是一種敏感元件，光在光纖中傳輸時(shí)，光的特性如振幅、相位、偏振態(tài)等將隨檢測(cè)對(duì)象發(fā)生變化而相應(yīng)變化。（4） 光纖電絕緣性能好，它不受電磁干擾，無(wú)火花，能易燃、易爆的環(huán)境中使用。（5） 光纖極細(xì)，可塑性好。光纖的總直徑為100200mm，可放置在在小孔和縫隙等被測(cè)場(chǎng)點(diǎn)，而且對(duì)被測(cè)場(chǎng)點(diǎn)擾動(dòng)小。（6） 光纖原料資源豐富，價(jià)格低廉。按纖芯折射率分布的不同，可將光纖分為兩大類(lèi)：階躍折射率型光纖和梯度折射率型光纖。圖2是兩種典型的纖芯折射率剖面n(r)示意圖。圖2 光纖折射率分布按光纖傳輸特性的不同，光纖又分為單模光纖和多模光纖。光纖中的傳輸模式按照?qǐng)龇植贾锌v向場(chǎng)分量（Ez、Hz）的特性，可分為橫向模和混合模兩大類(lèi)，橫向摸記為：TE0m和TM0m，混合模可記為：EHmn和HEmn，角標(biāo)m，n分別表征了該模式場(chǎng)分布在橫向角度方向上的波節(jié)數(shù)和在徑向r方向上的波節(jié)數(shù)。通常，將HE11模稱為主?；蚧！H傳播基模的光纖叫單模光纖，能夠傳播多個(gè)傳輸模的光纖叫多模光纖。單模光纖的纖芯直徑為（515）mm，多模光纖的纖芯直徑為（40100）mm。一般多模光纖纖芯折射率比折射率比包層高（15）%，而單模光纖高約（0.10.5）%。本實(shí)驗(yàn)選用的是單模光纖。B.光纖傳光原理實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)光線從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)分界面上將產(chǎn)生折射現(xiàn)象。其規(guī)律是：入射角于折射角的正弦之比與兩種介質(zhì)的折射率成反比，即：，其中n1是光纖纖芯的折射率，n2是其包層介質(zhì)的折射率。因n1n2，則，當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射率將等于90，這時(shí)入射光線不再進(jìn)入包層介質(zhì)，而開(kāi)始產(chǎn)生全反射的入射角稱為臨界角，當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)，發(fā)生了全反射，于是光便在光纖中沿軸向前傳播。這就是光纖的波導(dǎo)原理。不滿足全反射條件的光線，由于在界面上只能部分反射，勢(shì)必有一些能量會(huì)輻射到包層中去，致使光能量不能有效傳播。通常能在波導(dǎo)再傳播的光為傳輸模（導(dǎo)模），不能傳播的光為輻射模。C光纖中光的傳播對(duì)于一定的光纖結(jié)構(gòu)和光波長(zhǎng)，在光纖中能夠傳播的模式數(shù)目是有限的。分析表明，可以傳播的傳輸模數(shù)為：，其中，稱為歸一化頻率或標(biāo)稱波導(dǎo)參數(shù)，2a為光波導(dǎo)芯的寬度。對(duì)于一個(gè)有確定結(jié)構(gòu)的單模光纖，其基模光波長(zhǎng)沒(méi)有限制。相應(yīng)于V=2.405的光波長(zhǎng)，是較高一階模式HE01的截止波長(zhǎng)，或稱為該單模光纖的截止波長(zhǎng)。由歸一化頻率表示式，很容易求得截止波長(zhǎng)為：，因此，在該光纖中，當(dāng)傳播的光波長(zhǎng)時(shí)，將處于單模工作，而當(dāng)時(shí)，處于多模工作。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于V與光波長(zhǎng)有關(guān)，所以，對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)是單模工作的光纖，對(duì)于比其還要短的另外的光來(lái)說(shuō)，就可能傳播兩個(gè)以上的傳輸模，而成為多模光纖了。D 光纖的特性參量1 相對(duì)折射率差：工程上定義D為纖芯和包層間的相對(duì)折射率差，即：。當(dāng)D0.01時(shí)，上式簡(jiǎn)化為該式成為光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)條件，不要小看這個(gè)弱導(dǎo)特性，從理論上講，光線的弱導(dǎo)特性式光線于微波介質(zhì)圓駁倒之間的重要差別之一。弱導(dǎo)的基本含義是指，很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且為工藝的制造提供了方便。2 光纖的數(shù)值孔徑：為了表征入射光線在光纖中的激發(fā)、耦合的難以程度，經(jīng)常采用光纖的數(shù)值孔徑NA這一參量。按照光學(xué)的習(xí)慣，它定義為，在階躍光纖中，對(duì)于子午光線（在光纖中，通過(guò)中心軸的任何平面都叫子午面，位于子午面內(nèi)傳播的光線叫子午光線）有，對(duì)于斜光線（指與光纖中心軸即不平行也不相交的光線）來(lái)說(shuō)，。在光纖耦合中，為了有效地把光入射到光纖中，應(yīng)采用數(shù)值孔徑滿足光纖數(shù)值孔徑NA要求的物鏡，否則會(huì)因?yàn)楣庠诮永m(xù)部位輻射，而使損耗增大。在高斯光束近似下，我們可以取光強(qiáng)最大值的1/e2的地方為數(shù)值孔徑。另外，光纖的特性參量還有受光角、折射率分布系數(shù)等，這里不再一一敘述，有興趣的同學(xué)可查閱相關(guān)資料。四、實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（一） 設(shè)備的安裝：1 將導(dǎo)軌平穩(wěn)地放置在一個(gè)堅(jiān)固、穩(wěn)定的平臺(tái)上。2 在導(dǎo)軌的一端（底角附近）放置半導(dǎo)體激光器調(diào)整架和三維光纖調(diào)整架，另一端放置光纖座和二維可調(diào)光探頭。3 粗調(diào)各調(diào)整架的高度，使其高度大致相等。4 將半導(dǎo)體激光器與實(shí)驗(yàn)儀發(fā)射板的輸出口相連，輸出波形通過(guò)信號(hào)線與示波器CH1通道相連。二維光探頭與接收板上的輸出口相連，輸出波形（解調(diào)前）通過(guò)信號(hào)線與示波器CH2通道相連。模擬音頻信號(hào)接入音頻輸入端。5 將功率指示計(jì)探頭與功率指示計(jì)相連，待用。6 將實(shí)驗(yàn)儀后面板上的喇叭開(kāi)關(guān)置于關(guān)狀態(tài)。（二） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：A.半導(dǎo)體激光器的電光特性1將實(shí)驗(yàn)儀功能擋置于“直流”擋。用功率指示計(jì)探頭換下三維調(diào)整架。2打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀電源，將電流旋鈕順時(shí)針旋至最大。3調(diào)整激光器的激光指向，使激光進(jìn)入功率指示計(jì)探頭，使顯示值達(dá)到最大。4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電流旋鈕，逐步減小激光器的驅(qū)動(dòng)電流，并記錄下電流值和相應(yīng)的光功率值。5用坐標(biāo)紙作出電流-功率曲線，即為半導(dǎo)體激光器的電光特性曲線；并求出閾值電流。曲線斜率急劇變化處所對(duì)應(yīng)的電流即為閾值電流。注意：為防止半導(dǎo)體激光器因過(guò)載而損壞，實(shí)驗(yàn)儀中含有保護(hù)電路，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，光功率會(huì)保持恒定，這是保護(hù)電路在起作用，而非半導(dǎo)體激光器的電光特性，B.光纖的端面處理與夾持1 用光纖剝皮鉗剝?nèi)ス饫w兩端的涂覆層。2 在5mm處用光纖刀刻劃一下。用力不要過(guò)大，以不使光纖斷裂危為限。3 在刻劃處輕輕彎曲光纖，使之?dāng)嗔选Ｌ幚磉^(guò)的光纖不應(yīng)再被接觸，以免損壞和污染。（要特別注意，斷面尤其容易損壞，一旦實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)光斑發(fā)散，或者耦合過(guò)小，無(wú)法調(diào)高時(shí)，一定要檢查。如果確定斷面損壞，及時(shí)重切，以保證實(shí)驗(yàn)的孫里進(jìn)行）。4 將光纖的一端小心地放入光纖夾中，伸出長(zhǎng)度約為10mm，用簧片壓住，放入三維架中，用鎖緊螺釘鎖緊。5 將光纖的另一端放入光纖座上的刻槽中，伸出長(zhǎng)度約為10mm，用磁鐵吸壓住。C.光纖的耦合與模式1 將實(shí)驗(yàn)儀功能擋置于直流擋。2 調(diào)整激光器的工作電流，使激光不太明亮（建議3040mA）.3 用一張白紙?jiān)诩す馄髑昂笠苿?dòng)，確定激光焦點(diǎn)的位置。（激光太強(qiáng)會(huì)使光點(diǎn)太亮，反而不易觀察）4 通過(guò)移動(dòng)三維光纖調(diào)整架和調(diào)整Z軸旋鈕，使光纖端面盡量逼近焦點(diǎn)。5 然后固定X軸旋鈕，用其余4個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)。6 將激光器工作電流調(diào)至最大，通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)三維纖維架上Y軸、Z軸旋鈕和激光器調(diào)整架上的水平、垂直旋鈕，使激光照亮光纖端面并耦合進(jìn)光纖。用功率指示計(jì)監(jiān)測(cè)輸出光強(qiáng)的變化，反復(fù)調(diào)整各旋鈕，直到光輸出功率達(dá)到最大為止。一般情況下，應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)到200mW以上，如此才能保證后面的實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。7 記下最大功率值。此值與輸入端激光功率之比即為耦合效率（不記吸收損耗）。8 取下功率指示計(jì)探頭，換上顯示屏，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)各耦合旋鈕，觀察光斑形狀變化（模式的變化）。（若耦合好的話，應(yīng)為高斯光斑，光強(qiáng)為高斯分布）。9 輕輕觸動(dòng)光纖或彎曲光纖，觀察光斑形狀變化。D.光纖數(shù)值孔徑的測(cè)量光纖數(shù)值孔徑的測(cè)量是一向極其煩瑣、細(xì)致的工作，需要專(zhuān)用附件和操作者認(rèn)真、耐心地耦合光纖，將輸出光束的光強(qiáng)調(diào)整到近似的高斯分布（基模），并且穩(wěn)定。原理：根據(jù)光線數(shù)值孔徑的定義： 其中為光纖輸出光的發(fā)散角的一半，在此為空氣折射率。我們可用兩種方法測(cè)量數(shù)值孔徑：（一） 光斑掃描法：1 按上述步驟耦合好光纖。2 用示波器觀察輸出波形形狀，并仔細(xì)調(diào)節(jié)各耦合旋鈕，盡量使輸出成為明亮、對(duì)稱、穩(wěn)定的高斯分布。3 將數(shù)值孔徑測(cè)量附件置于光纖輸出端面前4080mm處。4 將探頭光攔置于0.5mm或1mm檔。5 仔細(xì)調(diào)整光纖與探頭之間的位置，在光斑中心附近找到功率指示最大的點(diǎn)。6 用一維位移架移動(dòng)探頭，使探頭掃過(guò)整個(gè)光斑。記錄下光強(qiáng)與位置，繪出光強(qiáng)分布曲線，應(yīng)為近似的高斯曲線。7 以該曲線最高點(diǎn)的1/ e2 處的尺寸作為光斑直徑。再測(cè)出光纖端面距測(cè)量面的距離，求出a。（二） 功率法：1 按上述步驟耦合好光纖。2 用顯示屏觀察輸出光斑形狀，并仔細(xì)調(diào)整各耦合旋鈕，盡量使輸出光斑具有明亮、對(duì)稱、穩(wěn)定的分布。3 將數(shù)值孔徑測(cè)量附件的探頭光欄置于f6.0檔，并使之緊貼光纖輸出端面，以保證輸出光全部進(jìn)入探頭。用功率指示計(jì)檢測(cè)光纖輸出功率，輕微調(diào)整耦合旋鈕，盡量使功率達(dá)到最大。4 記下此時(shí)功率指示值。5 向后移動(dòng)附件滑塊。由于輸出光的發(fā)散，隨著探頭向后移動(dòng)，會(huì)有部分光漏出f6.0孔。6 仔細(xì)調(diào)整光纖與探頭之間的相對(duì)位置，使可探測(cè)到的功率為最大功率的90%，而有10%的光功率漏在f6.0孔外，此時(shí)的6mm孔徑即為光斑直徑。7 測(cè)量出光纖端面到探頭光欄間的距離H。8 由6mm直徑和H即可求出a。E. 模擬（音頻）信號(hào)的調(diào)制、傳輸和解調(diào)還原1按述步驟耦合好光纖。2 將實(shí)驗(yàn)儀的功能檔置于音頻調(diào)制檔。3 將示波器的CH1和CH2通道分別與“輸出波形”和“輸入波形”相連。4 將示波器“掃描頻率”置于10ms/Div擋，示波器顯示應(yīng)為近似的穩(wěn)定的矩形波。5 從“音頻輸入”端加入音頻模擬信號(hào)，這時(shí)可觀察到示波器上的矩形波的前后沿閃動(dòng)。6 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀后面的喇叭開(kāi)關(guān)，應(yīng)聽(tīng)到音頻信號(hào)源中的聲音信號(hào)。（注意此時(shí)音頻信號(hào)的強(qiáng)弱與耦合的效率成正比，即耦合效率越高，音頻信號(hào)就越好，反之，噪音信號(hào)越強(qiáng)）。7 可分別觀察實(shí)驗(yàn)儀發(fā)射板“調(diào)制”前后的波形和接收板“解調(diào)”前后的波形。觀察了解音頻模擬信號(hào)的調(diào)制、傳輸、解調(diào)過(guò)程的情況。F. 傳輸時(shí)間的測(cè)量1 按上述步驟耦合好光纖，并使輸出達(dá)到最大。2 用二維可調(diào)光探頭取代原來(lái)的功率指示探頭。3 用信號(hào)線將實(shí)驗(yàn)儀發(fā)射板中輸出波形與雙蹤示波器的 CH1通道相連。4 用信號(hào)線將實(shí)驗(yàn)儀接收板中輸出波形（解調(diào)前）與示波器CH2通道相連。5 示波器觸發(fā)撥到CH1通道，顯示鍵置于雙蹤示波器同時(shí)顯示。6 將實(shí)驗(yàn)儀功能鍵置于“脈沖頻率”檔，電流置于最大。（此目的在于是波形振幅最大，便于觀測(cè)）。7 打開(kāi)示波器電源，CH1的電壓旋鈕置于“2V/Div”檔上，時(shí)間周期旋鈕置于10ms/Div，旋轉(zhuǎn)“脈沖頻率”旋鈕，在示波器上應(yīng)看到一定頻率的方波。8 調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀上的“脈沖頻率”旋鈕，使脈沖頻率約為50KHz(T=50ms)。9 CH2的電壓旋鈕也置于“2V/Div”檔上，觀察CH2通道上的波形，并同時(shí)調(diào)整二維可調(diào)光探頭的位置和光纖輸出端面之間的距離，使CH2的波形盡量成為矩形波。10 將“掃描頻率”置于1ms/Div檔，仔細(xì)調(diào)整“脈沖”頻率旋鈕，使示波器CH1通道上只顯示一個(gè)周期。11 再仔細(xì)調(diào)整二維可調(diào)光探頭的前后位置，使CH2上升沿波形盡量前移（以波形幅度的90%處為準(zhǔn)）并記錄下此時(shí)的位置。12 取下三維光纖調(diào)整架，直接將二維可調(diào)光探頭置于激光頭前，使部分激光進(jìn)入探頭（注意：不要使探頭飽和，波形嚴(yán)重失真）。13 觀察示波器上CH2通道的波形，并同時(shí)調(diào)整二維可調(diào)光探頭，使波形盡量與11步中的波形近似，且上升沿盡量靠前，記錄下上升沿的位置（以波形幅度的90%處為準(zhǔn)）。14 將11和13步中的上升沿位置相比較，其時(shí)間差即為光在光纖中的傳播時(shí)間。15 用光纖長(zhǎng)度除以傳輸時(shí)間，即為光在光纖中的傳輸速度，并由此求出光纖纖芯的折射率。注：A、B、C、D作為一次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；E、F作為一次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)二 光纖傳感器 光纖傳感器是利用外界物理因素改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)，從而對(duì)外界物理因素進(jìn)行探測(cè)、計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鳌，F(xiàn)在開(kāi)發(fā)的光纖傳感器有幾十種，如光纖聲納傳感器、光纖陀螺傳感器，光纖溫度、壓力傳感器、光纖電、磁傳感器、光纖加速度傳感器、光纖輻射傳感器以及光纖濃度傳感器。光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)：（1） 測(cè)量范圍廣。現(xiàn)在用光纖傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感的有力、熱、聲、電、核等十幾種，可以測(cè)量位移、速度、加速度、壓力、液面、振動(dòng)、水聲、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及核輻射等物理量。（2） 靈敏度高。光纖傳感技術(shù)不但比其它傳感技術(shù)的靈敏度要高得多，而且更能反映外界情況。例如，利用光纖實(shí)現(xiàn)輻射劑量的傳感，其靈敏度比普通的劑量計(jì)要高一萬(wàn)倍；光纖溫度傳感器的靈敏度達(dá)百分之一度；光纖位移傳感器的靈敏度達(dá)一萬(wàn)萬(wàn)分之一厘米；光纖加速度傳感器的靈敏度達(dá)10-6g（g是重力加速度）。（3） 具有安全防爆耐腐蝕耐高壓抗干擾能力強(qiáng)，不受電磁場(chǎng)干擾的特點(diǎn)，在易爆環(huán)境中使用安全可靠。（4） 便于與計(jì)算機(jī)接口，組成遙控系統(tǒng)、智能化以及遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制。（5） 體積小、重量輕。用一條光纖可取代上百個(gè)傳感器陣列或數(shù)白條電纜。實(shí)驗(yàn)一 反射式光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解“光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀”的基本構(gòu)造和原理，熟悉其各個(gè)部件，學(xué)習(xí)和掌握其正確使用方法；2.了解一對(duì)光纖（一個(gè)發(fā)光，一個(gè)接收光）的反射接收特性曲線；3.學(xué)習(xí)掌握最簡(jiǎn)單、最基本的光纖位移傳感器的原理和使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)儀器：光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)（圖1）、反射接收光纖（圖2）、準(zhǔn)三維調(diào)整架（圖3）。圖1光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)LED光源輸出插座；PIN光探測(cè)器輸入插座；PRO編程控制鍵；UP、DOWN配合PRO設(shè)定輸出電流上下限；SET設(shè)置鍵；UL、DL、mA、mV、uW一儀器顯示狀態(tài)指示燈。三、 實(shí)驗(yàn)原理：采用的光纖傳感器的原理如圖4所示。光纖探頭A由兩根光纖組成，一根用于發(fā)射光，一根用于接受反射鏡反射的光，R是反射鏡。系統(tǒng)可工作在兩個(gè)區(qū)域中，前沿工作區(qū)和后沿工作區(qū)（見(jiàn)圖5）。當(dāng)在后沿區(qū)域中工作時(shí)，可以獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍。就外部調(diào)制非功能型光纖傳感器而言，其光強(qiáng)響應(yīng)特性曲線是這類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)。該特性調(diào)制函數(shù)可借助于光纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布函數(shù)給出：式中I0為由光源耦合入發(fā)送光纖中的光強(qiáng)；為纖端光場(chǎng)中位置處的光通量密度；為一表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于階躍折射率光纖，=1；為光纖芯半徑，為 與光源種類(lèi)、光纖數(shù)值孔徑及光源與光纖耦合情況有關(guān)的綜合調(diào)制參數(shù)。如果將同中光纖置于發(fā)上發(fā)送光纖出射光場(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí)，所接收到的光強(qiáng)可表示為：式中 ，這里，S為接收光面，即纖芯端面。在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為簡(jiǎn)便計(jì)算，可用接收光纖端面中心點(diǎn)處的光強(qiáng)來(lái)作為整個(gè)纖芯面上的平均光強(qiáng)，在這種近似下，得在接收光纖終端所探測(cè)到的光強(qiáng)公式為：對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用多模光纖，=1；光纖芯半徑=0.1mm，兩光纖間距mm，中和調(diào)制參數(shù)=0.026。其歸一化理論曲線如5所示。圖5 反射式調(diào)制特性曲線四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求：1 反射式光纖位移傳感器的調(diào)制特性曲線的測(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 將反射式光纖探頭卡在縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上，對(duì)準(zhǔn)反射器并使光纖探頭與反射鏡間距調(diào)到0.1mm左右。（2） 接通電源，將LED驅(qū)動(dòng)電流調(diào)到指定電流，（3） 調(diào)整縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架，將探測(cè)光纖推進(jìn)到與反射鏡表面即將接觸的位置記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)，然后停止。（4） 沿某縱向向原離反射鏡的方向旋轉(zhuǎn)微動(dòng)調(diào)節(jié)架，每次調(diào)節(jié)0.1mm并記錄螺旋測(cè)微器讀數(shù)和電壓值，直至5mm。（5） 在origin作圖軟件作出反射式調(diào)制特性曲線。2 位移傳感定標(biāo)：由理論曲線可以看出光纖位移傳感器可工作在兩個(gè)區(qū)域，即上升沿（前沿）和下降沿（后沿），前沿工作區(qū)的靈敏度高但動(dòng)態(tài)范圍小，而后沿工作區(qū)的靈敏度低但動(dòng)態(tài)范圍較大，可視需要而定。在作為光纖傳感器使用時(shí)，作出光纖探頭和反射鏡間距與電壓輸出的特性曲線，用origin作圖軟件進(jìn)行多項(xiàng)式擬合出反射鏡與光纖探頭間的距離。思考題：設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)，測(cè)量一個(gè)可以轉(zhuǎn)換成位移的其它物理量，如長(zhǎng)度的改變、雙金屬片隨溫度的變化、模片隨壓力的變化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)二 微彎式光纖壓力/位移傳感器微彎式光纖傳感器是根據(jù)微彎變形引起纖芯或包層中傳輸?shù)墓廨d波強(qiáng)度變化的原理制成的全光纖型傳感器。微彎式傳感技術(shù)可分為亮場(chǎng)型和暗場(chǎng)型兩種。前者是通過(guò)對(duì)纖芯中光強(qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)性能的轉(zhuǎn)換；而后者則檢測(cè)包層中的光信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)就是利用光纖微彎變形引起纖芯中傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)位移或壓力的檢測(cè)。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 了解光纖彎曲損耗的機(jī)理極其特性；2 學(xué)習(xí)利用彎曲損耗測(cè)量位移的方法；3 學(xué)習(xí)利用彎曲損耗測(cè)量壓力的方法。二、 實(shí)驗(yàn)儀器：光纖實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)（圖1），發(fā)射與接收光纖（圖