光纤传感器基础实验

光纤传感器基础实验王帅（哈尔滨工程大学13-3班75号，黑龙江省哈尔滨市 150001）摘要：光纤传感实验仪开发研制的目的是将光纤传感这一现代技术进行广泛的普及和渗透。

了解光纤传感仪试验仪的基本构造和原理，学习和掌握其正确使用方法；了解光纤端光场的径向分布和轴向分布的特点；定量了解一种光纤的纤端光场的径向分布和轴向分布；学习掌握最基本的光纤位移传感器的原理。

通过对光纤接受端电压的测量，可以间接测量光纤端轴向和径向的光场强度的分布。

关键词：光纤传感器；轴向；径向；光强分布Optical Fiber Sensor Based ExperimentWang shuai（Harbin Engineering University, Harbin,150001,Chnia）Abstract：The purpose of the development of fiber optic sensing experimental kits is to make this technology popularization. Understanding the basic structure and principle of fiber optic sensing experimental kits,learning and mastering the correct using method; Understand the radial and axial distribution characteristic of the fiber end; Learning to master the basic principle of optical fiber displacement sensor. By measuring the voltage of the optical fiber acceptting, optical fiber end light field intensity distribution of the axial and radial can be measured indirectly.Key words：fiber optic sensing experimental kits；axial; radial; light intensity distribution0 引言光纤传感实验仪是由多种形式的光纤传感器组成，是集教学和实验于一体的传感测量系统。

它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便应用范围广等特点。

在实验过程中，我们用光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，可用于测量多种可转换成位移的物理量。

1 实验原理1.1光在光纤中传输的原理光在光纤中的传输依据是光学中的全反射定律。

普通石英光纤的结构包括纤芯、包层和涂覆层，纤芯和包层的材料都是二氧化硅，他们的区别是在纤芯或包层中做适当的掺杂，是纤芯的折射率大于包层的折射率，即n1>n2。

于是当光传输到纤芯和包层的交界面时，光是从光密介质进入光疏介质，当入射角大于临界角c θ时，光在纤芯和包层的交界面处发生全反射。

正是由于全反射，才能把光限制在光纤的纤芯中传输。

图1 光纤的结构与光在光线中的传输示意图1.2光纤端光场强度分布光纤出射光场的空间分布，为了给出一个既与实际相符合，又具有通用性的纤端光场强度分布表达式，有必要分析一下光纤出射端面的光场特性，按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布。

叠加后的光纤纤端光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写。

称为准高斯分布。

另外，沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价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。

实际情况接近于二者的某种混合。

为方便分析，作如下假设：（1）光纤端面：光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成。

（2）出射光长：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。

图2 光纤端光场在以上假设下，可推导出理论公式()()()}42exp 42{),(2202220240222220202122020⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-++⎪⎭⎫ ⎝⎛=ωωωλπωk z r k k z q a z kr J r a p I z r I 此式表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。

纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹均匀分布的几何光束，为了可以更好的与实际相吻合，引入无量纲调和参数ξ，ξ为与光源种类、光纤的数值孔径及()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=C a z a z θξσωtan 12300 取0≈p ，1≈q ，为使用方便，通常取()⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛+=2230202222302020tan 1exp .tan 1,C C a z a r a z a I z r I θξσθξπσ如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为()()()()dS z r z I dS z r I z r I SS S ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==⎰⎰⎰⎰2220exp .,,ωπω式中，S 为接收光面,及纤芯面。

在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端面中心点处的光强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()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=z r z SI z r I 222exp .,ωπω 于是可得光纤纤端的光场分布。

1.3反射式光纤位移传感器原理反射式光纤传感器原理如图30-7所示。

图中的光纤探头A 由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射镜的反射光，平面反射镜M 的反射率为R 。

将接收光纤和由光源光纤发出的被镜面反射回的光场作镜像变换，等效接收光纤直接置于光源光纤的光场，此时镜像接收光纤与光源光纤的间距为2z ，如图3所示。

图3 双光纤反射调制原理示意图利用纤端光场分布函数对镜像接受光纤端面进行积分，可得光强为()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=z r z R I S z r I A 2exp .2,2220ωπωS为接收光纤的有效接收面积。

该式表示的即为反射式光纤探头的调制函数。

式中，A2 试验方法2.1光纤端轴向光场强度分布的测量从光线中出射到空间的光所辐照的区域很小，而且还要测量光辐照区域内各点光强大小的分布，于是可以将接收光纤放入该区域内，由于光纤芯的面积很小。

可近似地看成是逐点探测。

其轴向光场和径向光场强度分布的测量方法。

轴向光场强度分布测量的实验操作步骤如下：（1）打开仪器电源。

（2）按增加（减少）键，将工作电流调整到5mA~30mA。

（3）旋转纵向螺旋测微器，使两光纤探头尽可能地接近。

（4）调节横向螺旋测微器和光纤高度调节，是输出电压最大，此时发光光纤的纤芯与接收光纤的纤芯处于正对准状态；将纵向螺旋测微器反向旋转1小格~2小格，记录当前输出电压值。

（5）继续旋转螺旋测微器，每20小格记录一次电压输出值，直至电压输出值变化趋于平缓，数据记录结束。

检查实验数据。

检查实验数据，测量结果应与下图所示曲线具有类似的规律性，否则说明实验失败。

2.2光纤端径向光场强度的分布测量（1）重复轴向光场强度分布测量的步骤（1）~（3）。

（2）反向旋转纵向螺旋测微器50小格（即0.5mm）停止，使两个光纤探头有一定间距。

（3）横向移动光纤探头之一，直至接收到的光强多对应的输出值变化趋于平缓，再继续移动2小格~5小格（此时，输出电压已无明显变化）。

（4）反向横向移动光纤探头1小格~3小格（消除空程），记录下输出电压值。

（5）继续沿该方向移动光纤探头，每5小格记录一次输出电压值，直至接收到的光强所对应的输出电压趋于平缓（至此光纤端径向光场分布测量完毕）。

检查实验数据，测量结果应与下图所示曲线具有类似的规律性，否则说明实验失败。

2.3反射式光纤位移传感器调制特性曲线的测量（1）接通电源，将LED驱动电流调到制定电流值（40mA）。

（2）调整纵向微动调节旋钮，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置。

（3）纵向远离反射镜的方向旋转微动调节旋钮，每次调节0.1mm（10小格），并记录螺旋测微器的读数和相应的电压输出值。

（4）位移传感标定。

理论上光纤位移传感器可以工作在两个区域，即上升沿河下降沿。

前沿工作区的灵敏度高但动态范围小；而后沿工作区域的灵敏度低但动态范围较大，可是需要而定。

需要对传感器进行标定。

标定方法是：根据调制特性曲线选择线性区，然后再选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似调制特性曲线测试的实验内容。

每隔50um记录下电压数值，作出光纤探头与反射镜间距与电压输出的特性曲线。

于是，测量时可根据特性曲线将反射镜与光纤探头间的距离确定下来。

3 实验结果1）光纤端光场轴向分布的测量：工作电流6mA、横向坐标（mm）、输出电压（V）2）光纤端光场径向分布的测量：工作电流6mA、径向坐标（mm）、输出电压（V）3）反射式光纤位移传感器调制特性曲线的测量4结论结果分析：通过对光纤接受端电压的测量，可以间接测量光纤端轴向和径向的光场强度的分布。

误差分析：旋转螺旋测微器产生的空程；光纤弯曲形状的变化导致电压变化。

本实验的应用：LED光源的I-P特性曲线的测试；P-N结的发光特性；P型半导体、N 型半导体和P-N结。

参考文献[1]康崇，关春颖，黄宗军等.《大学物理实验》[M].哈尔滨工程大学出版社，2006.。