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 Experiment

Wang 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 distribution

0 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

()

(

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}42exp 42{),(220

2220240222220

202122020⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡+-++⎪⎭⎫ ⎝⎛=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 12

3

00 取0≈p ，1≈q ，为使用方便，通常取

()⎪⎪⎪⎭

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⎛+=

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 S

S S ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡-==⎰⎰⎰⎰2220

exp .,,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 222

exp .,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 .2,222

0ωπω