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WuhanGuangch1.Techno1.ogyCo.,1.TD书目光纤海场传培试验的理论基础4试验一、1.D光源的PI,V-I特性曲线12试验二、透射式横（纵）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试验六、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试验八光纤照明试畛系统设计45前百光纤是20世纪70年头的更要独创之一，它及激光器、半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，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质,明显,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小理好.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更珞引起光纤光波卷数如光强，相位，频率,偏振,波长等的变更.因而,人们发觉假如能测出光波叁锹的变更,就可以知道导致光波参数变更的各种物理量的大小,于是产生了光纤传掰技术,光纤传感器始于1977年，及传统的各类传感器相比有一系列的优点，如灵敏度高，粒电磁干扰,耐腐蚀，电绝缘性好，防圾,光路有扭曲性，便于及计算机联接，结构简洁,体积小,更量轻

3、,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,功能型光纤传感三?是利用光纤本身的特性把光纤作为敏晦元件,所以也称为传感生光钎传感器，或全光纤传感器.非功能型光纤传感三S是利用其它教感元件感受被测量的变更,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J瑞按被调制的光波参数不问又可分为好度调阻光纤传感器,相位调制光纤传感器，须率调制光纤传感寄，偏椽调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器.光纤传落者按检测对象的不同，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,光纤流速传超器，光纤液位传感器等.光纤传将

4、台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的变更调制传输光光波的某一参数.使其随之变更.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,提高学生的基本技能.在试脸教学过程中，从试脸原理,试脸内容到试验仪器,试验方法等都很适合工科物理试盼的教学要求，将应用技术和基批试验很好的结合起来.本手且仅供运用光纤传感试脸系统从事物理试脸以及光纤传感应用的老师，学生和技术人员参考.限于

5、作者水平,手册中语误避免.恩请读者不吝指责指正.减心希望在我们的共同55力下,能够推动光奸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感器一般可分为两大类,即功能型传感器(Functionfiberopticsensor)和非功能至光纤传？三?(Non-functionfiberopticsensor).所谓功能型是利用光纤的本身的特性杷光纤作为敏感元件，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更,光纤仅作为光的传输介质，传饰敏感区传来的是经过被溯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言,如反射接收型

6、、干腌透射组等，一般是由入射光源光纤、调制台件和接收光纤蛆成.接收光纤所收集到的光强随外界物理忧动而变更，其光强响应特性曲妓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对于这类传感器的分析和设计至关至要,这类传感器在早期的设计中,很多的人都采纳了匀称性假设，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等人特提出纤端出射光场强分布可用高斯型函数来描写.Taka1及Asakura计算了入射光为激光光源状况下的多模光奸轩然出射场的性质，给出的平均强度分布为式中日敢现场的相干长度

7、d光纤芯半径3光波长回一1XI对于如下状况：坐标卷数Z0,光源为相干长度可=O的焦光源，公式（1）失效.为了给出一个吃及实际相符，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.依娓光奸传然的模式理论,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基模及低阶模旁边，AiD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亮屏的圆孔表面上，形成圆孔衍射，因而实际状况更接近两者的品种融合.为分析计算便利，我们作如下登设.光纤端面：光场

8、是由光演匀称分布的平面波和光海沿径向为高斯发布的高斯光束两部分构成的；出射光场：纤那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.为便利起见，我们借助于奥数运价形式,依上述假设，在光纤常面光场振帕为这里.P、q为两光场的权里原数,且满意条件：-IX(4)分别代表光纤端面匀称分布的平面波场和沿径向密斯分布的高斯光场.1.I.为高斯光束半径：，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-芋涅耳衍时积分来描写,依旁轴近似,在XOY平面内的光场为B1光舒光场坐标分析系熊对于1.EJ由图I,因为k1.,且IrUCz.所以对R川泰勒货开有为便利计,取

9、轴的方向（角度由此量起）使J=0,则有(8)考虑到Besse1.函数的积分表达式(9)及关系式(10)由公式8可得（三）对于日有于是,点Jj处光场的场强为II(13)式中，1.=J。公式（】3）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IS孔衍射分布叠加的结果.由高斯光束半宽定义,有(14)为将1.rJ及光纤芯半径联系起来,将上代入公式64有(15)又依几何光学有(16)这里.E为光纤的最大出射角.事实上,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,为了更好地及实际状况符合，我们媒合上述两种近似状况，引入无纲调和参数，给出修正结果如下IX(17)实际运用过

10、程中，为了便利，对于渐变折射率分布光纤有时选取三;对于阶跃折射分布光纤通常选三.对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本上被平均化了,即取1.J,1.rJ.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由光源瑞合到发送光纤中的光强叵I纤端光场中位置1.d处的光通密度回表征光纤折射率分布的相关叁数d及光源种类、光纤的数值孔径及光源及光纤根合状况有关的综合调制参数胃如将同种光纤置于发送光纤纤索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，3为接收光面积，即纤芯面.在纤湖出射光场的远场区,为便利计算,可用接收光纤瑞而中心点的尤通来作为整个纤芯面上的平均光强，在

11、这种近似F,得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为I(20)试验一、1.D光源的P-1.VT特性曲线试验目的1 .了解半导体激光出错值的概念,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，描脍半导体激光器的P-1、V-I曲线，学习通过曲线计算半导体激光器的诩值.试臆原理常用的半导体光源有半导体激光器(1.D)和发光二极管(1.ED).它们的发光机理都是非平衡或流子的镉射复合且都工作于正向偏置状态。1.ED的放射光谱半带宽比较窄，波长取决于材料的能带结构及接杂状况，半导体激光器能发出单色性更好的屈射,且功率更强，方向集中.典型的波长有0.85回，1.3

12、1日和1.5S回这两类篇件都是快速响应出件,它们的响应时间为N1.秒数量级.由于它们具有体积小，生量轻,功耗低“安装荷易以及性能盼定等优点，因而这两种光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,本试验系域所采纳的是ID光源，其中心波长为1.SSa.半导体激光器是一个同信器件,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，自发油射占主导地位，激光器放射一短的英光,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.省源区里实现了粒子数反转，S激辐射占主导地位，但当注入电流小于诿他电流时,谐振腔的增芭还不足以克服损耗，不能在舲内建立起吉定

13、的模式振藩，激光器放射的仅仅是较强的荧光，这种状态称为“超辐射”状态，只有当注入电港达到网值以后,才能放射谱线尖锐、模式明确的激光.浅值电流(hh)的测量方法。S留足犬丑纤图6举号体4k光的工作W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(实战),虚战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.-般对诙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饯性部分延长线及横坐标的交点；b,把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那么两条直线的交点就是阈值；C1在dP-d1.的曲线上,取上升沿的中点（10%和

14、90%两点的中点）；d.PPdP的顶点作为就值点.一般在分析半导体激光SS的时候，会把激光S看成是一个志向的二极管和一个电阻串联在一起,这个电阻叫串联电阻，这个串联电用一般是由于电极接触,杂移等坳由造成的./半导体激光器发光H串联电阴（热）国6*1分MU1.考虑到志向的二极管的工作电压是不变的，那么VT曲线就应当是水平的，为什么图中是向上愫斜的呢？缘由就是串联电阻，V-I的斜率就是串联电阻的阻值。试殴步骤1 .取一根多模跳线,接到PIN接收端,另一道接到1.D输出端.2 .接通电源,打开电寡开关,主机的液晶屏上将显示工作电压V,工作电流I和光功率P三行数据.按IHg赫,选择想要的步长（0.25

15、mA,0,5mA,ImA12mA）。按地大电增加驱动电流,记录下每个状态的驱动电流,工作电压和功率值.3 .将所得到的数据中电流值作为横坐标，工作电压和功率值为姒坐标,就可以得到P-I.V-I曲城。4 .以上操作属于手动操作，假如用串口线将系统主机和计算机连接起来并按下切换（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.（计算机须提前安笠配套软件程序在计算机的界面下，也三J以实现以上的测量，并且可自动描出P-I,V-I曲线。除此之外,在软件中可以实现对P-I曲线的一次微分和二次微分,求出沏值电流.试验二、透射式横（纵）向光纤位移传感（光纤数值孔径测）试验目的一1 .驾驭强度型光纤透射传感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.试改原理透射式强度调制光纤传感原理如下图所示,调制处的光纤端面为平面，通常入射光纤不动,而接收光纤可以作纵（横）向位移,这样,接收光纤的输出