光纤传感应用综合实验讲义.docx

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1、宪界传感应用稼合械验GCFS-B实验讲义武汉光驰科技有限公司WuhanGuangchiTechno1.ogyCo.1.TD书目光纤流场传感试验的理论基础4试验一、1.D光源的P-I,V-I特性曲线12试验二、透射式横（姒）向光纤位移传感（光纤数值孔径测量15试验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量22试验四,微弯式光纤位移/压力传感28试验五、光纤端场角度传感33试聆六、光纤温度压力传感（传光型）37试验七、光纤火灾预警系统试验40试验八、光纤照明试脸系统设计45前百光纤是20世纪70年头的五要独创之一，它及激光器、华导体探测器一起构成了新的光学技术,创建了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光

2、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，光纤被用作远为离传输光波信号的媒旗.明显,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.在实际的光传物过程中,光纤易受外界环境困素影响.如温度，压力,电磁场等外界条件的变更物引起光纤光波多数如光强，相位，翔率,儡振.波长等的变更.因而,人们发觉假如能测出光波参数的变更.就可以知道导致光波参数变更的各种物理Ift的大小,于是产生了光纤传感技术.光纤传整器始F1977年，及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.耐弼蚀.电绝域性好.防爆.光路有挠曲性，便于及计W机联接,结构简洁，体积小,维

3、就轻,耗电少等。光纤传将器按传感原理可分为功能鞭和非.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微港元件,所以也称为传感型光纤传整器，或全光纤传感器.非功能型光纤传感涔是利用其它敏感元件要受被测知的变更.光纤仪作为传输介质，传输来向远外或难以接近场所的光信号.所以也称为传光型传感器.或混合型传礴器，光纤传照器按被调制的光波参数不同又可分为覆度调制光纤传感器.相位调制光纤传感器，频率调制光纤传感器，偏振询制光纤传感潺和波长（颜色）调制光纤传礴零.光纤传心器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传形器，光纤位移传搏器，光纤浓度传感器.光纤电流传感器,光纤流速传感器,光纤液位传七器等.光纤传感

4、器可以探刈的物埋u艮多，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才的变更调制传给光光波的某一参数.使其随之变更,然后对已调洌的光信号进行检测，从而得到被iM3因此,光调制技术是光纤传那器的核心技术。鉴干以上专业背景.我们开发并研制出了光纤传感试验系统.本试验系统的开放性.分立式可以增加学生对光纤传感的感性相识,提高学生的茶本技能,在试骁教学过程中，从试骁原理.试验内容到试轮仪器，试般方法等都很适合工科物理试检的教学要求，将的用技术和基础试验很好的结合起来.本手册仅供运用光纤传礴试骁系统从少物理试裟以及光纤传感应用的老师，学生和技术人f参考.限

5、于作者水平.手册中送误难免.恳请读者不吝指黄指正.诚心布里在我的的共同努力下.能好推动光纤传感这一先进技术的学习和普及.光舒端场传感试监的理论基础光纤传礴器一般可分为两大类，即功能型传呼器(FunctionfiberopicSCnSOr)和非功能型光纤传感S(Non-IunctionfiberopticMmSor八所谓功能型是利用光纤的本身的特性把光纤作为故感元件,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由受被测量的变更.光纤仪作为光的传给介质.传输敏感区传来的是羟过被测元件调制了的光信号，因此，也称作传光里传感器.就外部调制非功能型传光型光纤传感零而言.如反射接收型、干脆透

6、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做外界物理扰动而变更，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据.大多及光纤出射光场强度相关.因而，光纤出射光场的场强分布时于这类传感器的分析和设计至关IE要。这类传尊器在早期的设计中.很多的人都采纳了匀称性黄设.印在光纤的数位孔径内,纤箭出射光场的光强沿径向分布是匀称的.这明显及实际不符,只能局限于肯定的条件下的近似应用。Hoogenboom等人管提出纤珀出射光场强分布UJ用高斯型函数来描写JnIkai及ASakUra计算了入射光为激光光源状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式中日散风场的相干长度J光纤

7、芯半径3光波长mCH1.对于如下状况：坐标参数z-o.光源为相干长度回=O的热光源.公式（I）失效.为了给出一个既及实际相符，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.首先依据光纤传输的模式埋论,在光纤中光功率按模式分布，在稳态状况下大部分光功率集中分布在州模及低阶模旁边，科加后的光纤端面光场场强沿径向分布可近似由高WiR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凫屏的圆孔表面上，形成即孔衍射，因而实际状况更接近两者的某种融合.为分析计算便利,我们作如下假设.光纤端面：光场是由光

8、强匀称分布的平面波和光谣沿径向为高斯发布的高斯光束两部分肉成的：出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圈孔衍射场和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成.为便利起见，我们借助于安敛运算形式，依上述假设，在光纤端面光场我振幅为这里，P、q为两光场的权重系数，且满意条件：匚三1（4）分别代表光纤端而匀称分布的平曲波场和沿径向高斯分布的高斯光场。式中口,为高斯光束半径：W为一相关参数,于是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-菲涅耳衍射枳分来描写,依旁轴近似,在XOY平面内的光场为勒淀开有为便利计,取轴的方向（角度由此位起为g=o,则有考虑到Besse1.函数的根分表达式（9）及关系式

9、(10)由公式8可得(II)对于日有(12)于是.点上处光场的场强为IXI(3)式中，山.公式(13)表明.纤蜡出射光场强度分布是由不同权点下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布在加的结果.由裔斯光束半宽定义.有为将也！及光纤芯半径联系起来,将代入公式(14)有乂依几何光学行(16)这里，目为光纤的最大出射向.事实匕纤端光场既不足纯粹的高斯光束,也不足纯粹的均旬分布的几何光束,为了更好地及实际状况符合，我们综合上述两种近似状况,引入无册纲调和参数目,给出修正结果如下实际运用过程中,为了便利,对于渐变折射率分布光纤有时选取E三：对于阶践折射分布光纤通常选三.对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应地本

10、上核平均化了.即取.因而对于大芯径多模光纤,为运用便利.上式通常取如下形式(18)式中3由光源播合到发送光纤中的光强三纤端光场中位置叵处的光通量密度3表征光纤折射率分布的相关参数3及光源种类、光纤的数值孔径及光源及光纤朋介状况有关的琮合调制参数钱如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，所接收到的光覆可去示为(19)这里回为接收光面枳,即纤芯面在纤端出时光场的远场区,为便利计算，可用接收光纤端面中心点的光强来作为整个纤芯而上的平均光强,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)试验一、1.D光源的P-1.VT特性曲线试验目的1.了解半导体激光零阳值的概念,测量半

11、导体激光推工作时的光功率、工作电压和工作电流，2,通过测眩出来的功率、电压和电流值，描绘半导体激光器的P1、V-I曲线.学习通过曲线计算半导体激光潺的因值.试睑原理常用的半导体光M有半导体激光渊1.D)和发光二极管(1.ED),它们的发光机理椰是非平衡我流于的辐射史合且都工作于正向偏近状态,1.ED的放射光谐半带宽比较波长取决于材料的能带结构及掺杂状况半导体激光渊能发出单色性更好的辐射,且功率更强，方向集中.典型的波氏有O.85H.1.31回和1.55臼。这两类器件都是快速响应器件,它们的响应时间为N1.秒数量级.由于它们具有体枳小.理Jft轻,功耗低.安装简易以及性能稔定等优点,因而这两种光

12、源不仅成为光纤通信的志向光源.也同样是光纤传感器的最常用的光源，本试验系统所采纳的是1.D光源,其中心波长为1.55回.半导体激光器是一个间值器件,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，有海区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位,激光潺放射一般的荧光.其工作状态类似于般的发光二极管,协者注入电流的增大，有源区里实现了管子效反转，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极根耗,不能在腔内建立起皆定的模式报荡，激光潞放射的仅仅是较强的荧光，这种状态称为“超辎射”状态,只有当注入电流达到阈值以后,才能放射谱纹尖设、模式明确的激光.阈值电流（b）的测M

13、方法。4504003w31.)2s)200151.oom。(Mn)we*Js9H5举导体4k元的工作W图5中给出了半导体激光港的典型特性示意图,其中的曲或是输出光功率和工作电流的关系（实战）,虚段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.一般对阙值的描述常用的有下述几种过程：a,在P-I曲戏的快速上升新上取其中的践性部分延长战及横坐标的交点：b,把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直规，JE么两条n践的交点就是阈值；c,在dPd1.的曲线上，取上升沿的中点（10%和90%两点的中点）：d.dd1.?的顶点作为间值点.一般在分析半导体激光器的时候，会把激光器看

14、成是一个志向的二极管和一个电阻率联在一起,这个电阻叫中联电阻,这个举联电团一般是由于电极接触、杂防等缘由造成的./-半导体激光器（发光-H串联电阻（热）用6半导体柬光的分析刎考虑到志向的二极管的工作电压是不变的.那么V-I曲线就应当是水平的，为什么图中是向上倾斜的呢？缘由就是中联电班，V-I的斜率就是申岷电阻的阻值，试除步St1. 取一根名模陕纵接到PIN接收端,另潞接到1.D输出端.2. 接通电源.打开电海开关.主机的液晶屏上将显示工作电压v.j：作电流1和光功率P:行数据,按步长选界按选择想要的步长（O.25mA.O.5mA.1mA.2mA）.按if大电流按增加驱动电流,记录下每个状态的驱

15、动电流.工作电纸和功率低.3. 将所得到的数据中电流做作为横坐标，工作电压和功率值为纵坐标，就可以得到PIV-I曲线,4. 以上操作属于手动操作，假如用邪口城将系统主机和计算机连接起来并拉卜切JM（此时主机的液晶屏上显示“通讯中：是“）就可以实现计算机限制.（计算机须提前安装配套软件程序在计算机的界面下，也可以实现以上的测量,并且可自动描出P-1.V-IH.除此之外,在软件中可以实现对P1.曲线的一次做分和二次微分.求出阈值电流。试验二、透射式横（姒）向光纤位移传感（光纤数值孔径流）试验目的一1 .驾驭演度型光纤透射传那的基本原理及调制方式；2 .了解强度型光纤透射传感器的理论分析方法、调制特性曲线及相关影响因素.试验原理透射式强度调制光纤传停原理如下图所示.调制处的光纤培面为平面，通行入射光纤不动,而接收光纤可以作纵（横）向位移.这样，接收光纤的输出光强被其位移