光纖傳感器試驗

實驗5—5光纖傳感器實驗人類進人21世紀，信息傳遞的方式也在悄然改變。從兩根電線傳輸一路電話到一根光纖傳輸幾十、幾百路電話，從海底電纜到歐亞光纜，光纖傳遞光信息的優(yōu)點是顯而易見的。光在光纖中不斷地被全反射傳輸，免受大氣的干擾、散射，衰減大大減少，從而實現(xiàn)上百公里的遠距離傳輸而不需要中間放大器。光纖在信息傳輸中的應用已為人們所熟知，但將光纖用作傳感器卻了解不多，該實驗將介紹反射式光纖位移傳感器，增強對光纖傳感器的了解。光纖傳感器是一種新型傳感器，隨著其技術的日益發(fā)展，應用越來越廣泛。光纖傳感器的機理是外界物理量的變化導致光纖參數(shù)的相應改變，例如應力或溫度變化時，會引起光纖長度和折射率的變化，從而形成光纖應變或溫度傳感器。光纖傳感器具有許多優(yōu)點：重量輕、靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；耐高溫、耐化學腐蝕、耐水性好，還能高速率和大容量傳輸測得的信息，便于測試自動化和遠距離傳輸；光纖傳感器可以用于高壓、電氣、噪音、高溫、腐蝕或其他的惡劣環(huán)境，并可實現(xiàn)非破壞和非接觸測量，而且具有與光纖遙感技術的內(nèi)在相容性。目前，正在研制中的光纖傳感器有磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和壓變等類型的光纖傳感器?！緦嶒災康摹苛私夤饫w、光纖傳感器的基本概念。了解反射式光纖位移傳感器的基本原理。測量并繪出輸出電壓與位移特性曲線。了解利用反射式光纖位移傳感器測量轉盤轉速和振動頻率的工作原理。纖芯包層涂敷層護套圖5-5-1光纖結構示意【實驗原理】纖芯包層涂敷層護套圖5-5-1光纖結構示意.光纖的基本知識1)光纖的基本結構光纖(OpticFiber)是光導纖維的簡稱，一般由纖芯、包層、涂敷層與護套構成，是一種多層介質(zhì)結構的對稱性柱體光學纖維。光纖的一般結構如圖5-5-1所示。纖芯和包層為光纖結構的主體，對光波的傳播起著決定性作用，其中纖芯是光密媒質(zhì)，包層是光疏媒質(zhì)。涂敷層與護套則主要用于隔離雜散光，提高光纖強度，保護光纖。在特殊應用場合不加涂敷層與護套，為裸體光纖，簡稱裸纖。根據(jù)纖芯與包層的光學折射率沿光纖徑向分布不同，光纖又可分為階躍折射率光纖和漸

實驗5—5光纖傳感器實驗 159變折射率光纖兩類。2）光在階躍光纖中的傳播當光從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，入射角大于臨界角時，光線會產(chǎn)生全反射。全反射是光纖的工作基礎。若光線以某一角度進入光纖端面時，入射光線與光纖軸心線之間的夾施稱為光纖端面入射角；光線進入光纖后又折射到纖芯和包層之間的界面上，形成包層界面入射愈，如圖5-5-2所示。若光線垂直光纖端面射入，并與光纖軸心線重合，該光線將沿軸心線向前傳播。若光線不垂直光纖端面射入，由于n1>n2,所以在包層和纖芯之間的界面處有一個產(chǎn)生光全反射的臨界入射角中，與其相對應的，在光纖端面有一個端面臨界入射角6。由光的反射和折射定律可知，①’、。滿足下式：’nsin6nsin6=nsin（兀,2-p）nsin①=nsin如果某一斜射光線，它在端面的入射角6?6，如圖5-5-2中的實光線所示，進入光纖后，折射到纖芯與包層界面的入射娜2①，滿足全反射條件，則該光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播，入射光就從光纖的一端傳到另一端。對于端面入射角6>6的入射光，因在纖芯與包層界面上的入射角p<p，就有部分光折射入包層，如圖5-5-2『虛光線。這部分光在光纖中傳輸，不斷折射損耗，基本都折射進包層，被包層所吸收。圖5-5-2圖5-5-2光在階躍光纖中傳輸所以，只要在光纖端面的入射角在6<6范圍內(nèi)的光線，都可以在光纖中被無數(shù)次的全C反射在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端傳出，這就是光纖的傳光原理。光纖的臨界入射角6c的大小是由光纖本身性質(zhì)決定。NA=NA=sin6C由上式可知，6的大小由光纖本身的折射率n1、n2所決定。式中NA稱為光纖的數(shù)值孔徑，常用數(shù)值孔徑這一量來表達光纖能接收光信號的難易程度。正由于光纖具有這種良好的傳光性能，以及光纖本身是不帶電的絕緣體，具有抗電磁干

160大學物理實驗160擾、抗輻射的性能，特別適用于可燃、易爆等惡劣環(huán)境下使用；另外由于纖細、質(zhì)輕、柔軟、可塑性強，適于小孔、縫隙等場合使用。因此，應用光纖作為傳光的媒質(zhì)，含有感知”和“傳輸”外界被測信號兩種功能的光纖傳感技術，一問世就受到極大的重視。.光纖傳感器概述利用光纖技術和有關光學原理，將感受的被測量轉換成可用輸出信號的器件或裝置稱為光纖傳感器。光纖傳感器基本上由光源、光學敏感元件、光導纖維、光檢測器和信號處理系統(tǒng)等部分組成。光纖傳感器的分類方法很多，以光纖在系統(tǒng)中的作用，可分為功能型光纖傳感器（傳感型）和非功能型光纖傳感器（傳光型）。功能型光纖傳感器是以光纖本身作為敏感元件，光纖本身的某些光學特性（如光的強度、相位、偏振和頻率等）被外界物理量所調(diào)制來實現(xiàn)測量。非功能型光纖傳感器是利用其他敏感元件感受被測量，光纖僅作為傳播光線的介質(zhì)。光纖傳感器的基本工作原理是將光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學性質(zhì)如光的溫度、波長（顏色）頻率、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)而獲得被測參數(shù)。.光纖位移傳感器的工作原理位移是既容易測量又易于獲得高精度檢測的基本物理量之一，壓強、振動、加速度等物理量都可轉換成位移進行檢測，所以位移傳感器是基本傳感器，下面介紹一種強度型反射式光纖微小位移傳感器的原理。圖5-5-3反射式位移光纖傳感器原理圖光峰如圖5-5-5（a）所示，設光纖芯徑位移圖5-5-4位移-輸出電壓特性曲線圖5-5-3是反射式光纖位移傳感器的光路結構示意圖。兩光纖臂組成Y型傳感探頭。其中一臂為發(fā)射光纖，將光傳至反射目標，另一臂為接收光纖，接收由目標反射回的反射光，并傳給接收的光敏元件。光敏元件接收到的光強取決于反射目標與光纖探頭間的間距d，反射面的反射率，及光纖探頭的結構。在一定的條件下，光敏元件接收光強僅與距離d有關，所以通過檢測反射光強來測定位移。其基本響應曲線如圖5-5-4圖5-5-3反射式位移光纖傳感器原理圖光峰如圖5-5-5（a）所示，設光纖芯徑位移圖5-5-4位移-輸出電壓特性曲線 實驗5—5光纖傳感器實驗 161為r，發(fā)射光纖的射出光束在光頂角知(。=2arcsinNA)的某一光錐內(nèi)，0大小是由光纖的數(shù)值孔徑NA決定的。設輸入、輸出光纖間距為〃，則根據(jù)鏡像法，接收光纖所接收到的反射光，相當于來自鏡后d處虛發(fā)射光纖所發(fā)出的光。因而確定調(diào)制響應，等效于計算虛發(fā)射光纖與接收光纖之間的耦合。反射光斑的面積為九R2，其中：R=r+2dtan0。設光纖間距為a，由此可知當R<a+r即d<a；(2tan0)時，沒有反射光耦合進接收光纖。當 a+r<R<a+3r即a"2tan0)<d<(a+2r)(2tan0)范圍內(nèi)，接收光纖與從虛光纖發(fā)出的光錐底端相交，耦合進接收光纖的光通量由虛光纖發(fā)出的光錐底面的大小及該光錐底面與接收光纖截面相重疊部分的面積(圖5-5-5(b)中的陰影部分)所決定。隨著d的增加，光錐底面增大變化率小于重疊面積增大變化率，說明接收光通量增加，所接收到的反射光強闕的增大而增強，經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理后的輸出電壓也在增大。當兩者變化率相等時，接收到的反射光強達到一個峰值，輸出電壓達到最大值。當d再增加時，光錐底面增大變化率大于重疊面積增大變化率，此時所接收光通量減小，即接收到的反射光強隨d的增大而減小，輸出電壓也在減小。當R>a+3r時，隨著R的擴大，反射光斑的面積也在擴大，接收到的反射光強占反射光斑的比例隨1/R2減小。因此，反射光強P隨光纖與反射目標間距d的曲線如圖5-5-4所示；這就是反射式強度調(diào)制傳感原理的特性曲線。根據(jù)其特性，應用曲線的前沿范圍，可以設計靈敏度高、線性好的傳感器；應用曲線的后沿范圍，可以設計動態(tài)范圍較大的傳感器。圖5-5-6光纖振動傳感器原理圖圖5-5-6光纖振動傳感器原理圖.光纖振動傳感器工作原理162大學物理實驗162光纖振動傳感器是利用光纖傳感器的探頭，將反射膜片粘在振動片上，當光源發(fā)出的光由發(fā)射光纖傳輸并投射到振動片上反射鏡片的表面，然后反射，由接收光纖接收并傳回光敏元件；當反射膜片隨振動而位置發(fā)生變化時，則輸出信號也發(fā)生變化，若振動是周期性變化，則輸出信號也是周期性變化。根據(jù)位移—輸出電壓特性曲線，適當選取光纖探頭的發(fā)射片的起始位置，就可正確測量出振動頻率。.光纖轉速傳感器工作原理光纖轉速傳感器也是利用光纖傳感器的探頭，將反射膜片粘在轉動盤片上，當光源發(fā)出的光由發(fā)射光纖傳輸并投射到轉盤反射鏡片的表面，然后反射，由接收光纖接收并傳回光敏元件；當反射膜片隨轉動臺旋轉時，位置發(fā)生變化時，則輸出信號也發(fā)生變化，其變化周期就是轉動周期，由此也可測量角速度?！緦嶒瀮x器】光纖傳感器實驗儀。【實驗內(nèi)容與步驟】1.位移一輸出電壓特性曲線的測量1）安裝位移傳感器。將光纖探頭插入至推不動為止并固定，同時將顯示測量轉換開關置于電壓測量檔，連接信號線，檢查其顯示是否正常。2）粗測。測量出輸出電壓的初始值、最大值和尾值，并讀出其對應的千分尺的刻度值。（注：輸出電壓的初始值不一定為零；千分尺的刻度值也不一定為零）3）準確測量。根據(jù)粗測值確定合適的步長，前后坡各測10個點左右，記錄下輸出電壓值及其對應的千分尺的刻度值，并填入自行設計表格中。4）根據(jù)測量數(shù)據(jù)，選擇合適的坐標，在坐標紙中畫出位移—輸出電壓特性曲線。2.振動頻率測量1）安裝位移傳感器，將光纖探頭插入振動測量架，并對準振動架反射面中心，調(diào)節(jié)探頭到反射面的距離。2）將顯示測量轉換開關置于頻率測量檔，連接信號線，檢查其顯示是否正常。3）調(diào)節(jié)振動源的輸出頻率并測量，比較測量值和設定值。3.轉速測量1）安裝位移傳感器，將光纖探頭插入轉速測量架，調(diào)節(jié)探頭到和轉盤表面的距離。2）將顯示測量轉換開關置于頻率測量檔，連接信號線，檢查其顯示是否正常。 實驗5—5光纖傳感器實驗 1633）調(diào)節(jié)轉動源的輸出，使角頻率在20?60Hz之間變化，觀察測量值及轉盤的轉動頻率?！緦嶒炞⒁馐马椉俺Ｒ姽收系呐懦?測量時各旋鈕不能擰得太緊。.注意螺旋測微器的使用方法。.在位移傳感器實驗中，粗測時應先調(diào)節(jié)輸出增益，使輸出電壓的最大值應調(diào)至10V左右。.頻率測量時，振動幅度不宜過大，頻率在20Hz左右?！舅伎碱}】.在位移測量實驗中，有哪些因素會影響輸出特性曲線的形狀、線性范圍等？.在位移測量實驗中，影響測量穩(wěn)定性有哪些因素？如何克服環(huán)境光的影響？.設計一實驗，測量物體表面光潔度的工作原理及其步驟?！靖戒洝縄.傳感器傳感器是將感受的物理量、化學量等信息，按一定規(guī)律轉換成便于測量和傳輸?shù)男盘柕难b置。由于電信號易于傳輸和處理，所以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉換成電信號輸出的。例如傳聲器（話筒）就是一種傳感器，它感受聲音的強弱，并轉換成相應的電信號。又如電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它轉換成相應的電信號。傳感器感受一種量并把它轉換成另一種量，這種轉換也可以看成是能量的轉換，因此在某些領域如生物醫(yī)學工程等中，也稱為換能器。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。在自動測量過程或控制系統(tǒng)中，首先由傳感器感受被測量，而后把它轉換成電信號，供顯示儀表指示或用以控制執(zhí)行機構。如果傳感器不能靈敏地感受被測量，或者不能把感受到的被測量精確地轉換成電信號，其他儀表和裝置的精確度再高也無意義。電子計算機應用于測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)時，也必須由傳感器提供準確可靠的信息，如果傳感器的水平與電子計算機的水平不相適應，電子計算機便不能充分發(fā)揮應有的作用和效益。因此，傳感器是測量、控制系統(tǒng)中的一種關鍵裝置。傳感器的種類很多，分類的方法也不同，常用的分類法有兩種。一種是按照傳感器的用途區(qū)分，如位移傳感器、力傳感器、速度傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和密度傳感器等。另一種分類法是按傳感器的工作原理區(qū)分如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、磁彈性式傳感器、振頻式傳感器和電化學式傳感器等。有時也常把原理和用途結合起來命名，如電感式位移傳感器和電容式壓力傳感器等。164大學物理實驗164在傳統(tǒng)的傳感器中，以把被測量轉換為電路參數(shù)變化，和利用磁電效應的傳感器為多，如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器和磁電式傳感器等。后來直接利用各種物理效應、化學反應的傳感器逐漸增加，如壓電式傳感器、霍爾傳感器、磁彈性傳感器和電化學傳感器等。隨著半導體技術的發(fā)展，又出現(xiàn)了新型的半導體傳感器，如采用擴散硅半導體的壓阻式傳感器，和利用電荷耦合器件的光電式傳感器。隨著科學技術的發(fā)展，一方面需要在不同環(huán)境下測量不同的物理量、化學量和生物量的各類傳感器；另一方面新材料、新元件和新工藝的不斷出現(xiàn)，也為研制新型傳感器提供了新的基礎，因此新型的傳感器不斷地出現(xiàn)。未來傳感器發(fā)展將主要表現(xiàn)在利用半導體材料和大規(guī)模集成電路工藝，將測量電路和敏感元件結合成一體，以提高傳感器的靈敏度、精確度和可靠性，實現(xiàn)小型化、智能化。II.光纖通信1966年，英籍華裔學者高錕C.K.Kao）提出了利用光纖進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，從而揭開了現(xiàn)代光通信一一光纖通信的序幕。光纖通信是指以光纖為傳輸介質(zhì)，以光為載波來傳遞信息，實現(xiàn)通信的一種通信方式。自上世紀70年代后期研究起步以來，光纖通信僅經(jīng)歷