《光纤传感技术》实验讲义(P28)

《光纤传感技术》实验讲义 实验一 LED 发光二极管 I—P 特性曲线测试 实验二 光纤纤端光场径向分布的测试 实验三 光纤纤端光场轴向分布的测试 实验四 反射式光纤位移传感实验 实验五 微弯式光纤位移传感器 实验六 光纤传感器应用——转速与震动测试 实验七 光纤传感器应用——温度测量 实验八 光纤光栅应变传感实验 实验九 光纤光栅温度传感实验 华侨大学信息科学与工程学院 实验一 LED 发光二极管 I—P 特性曲线测试 一 实验目的 1、了解发光二极管及 PIN 探测器的基本构造和原理； 2、了解发光二极管的工作特性； 3、熟练掌握发光二极管的 I—P 特性，掌握发光二极管 I—P 特性曲线的测量 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ； 4、测量一组 P、I 值并绘出不同 I—P 特性曲线。 二 实验仪器 光纤传感实验仪主机，发射、接收光纤。 图 1 光纤传感实验仪主机 0 0 0 0 0 0 0 0 DL UL mA µW mV FOS-III Fiber-optic Sensing Instrument 光纤传感实验仪 哈尔滨智能光电 科技有限公司 LED PIN AUTO PRO RET DOWN UP LED—光源输出插座； PIN—光探测器输入插座； AUTO—自动步进键； PRO—编程控制键； UP、DOWN—配合 PRO 设定输出电流上下限； SET—设置键； UL、DL、mA、mV、µV—仪器显示状态指示灯。 PIN 黑色 图3发射接收光纤组件 透射接受探头 三 发光二极管及 PIN 探测器的基本构造和原理 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前比较常用的光 1 源主要有半导体激光二极管和发光二极管。发光二极管简称 LED(Light Emitting Diode)， 它的输出光功率（P）随着驱动电流（I）的变化而变化。测量 LED 光源的 I—P 特性曲 线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。 1、发光二极管的结构及发光机理 发光二极管发射的是自发辐射光。发光二极管 LED 的结构大多是采用双异质结（DH） 芯片，把有源层夹在 P 型和 N 型限制层中间。发光二极管有两种类型：一类是正面发光 型 LED，另一类是侧面发光型 LED，其结构示于图 1.1。和正面发光型 LED 相比，侧面 发光型 LED 驱动电流较大．输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合率 较高，因而入纤光功率比正面发光型大。 图 1.1 在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。如图 1.2 所示，当发 光二极管的 PN 结上加有正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄， 载流子扩散运动加强。 2 由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级向低能级 跃迁，同时电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。 LED的发射 光波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量取决于半导体材料的禁 带宽度Eg( Eg=Ec-Ev），Ec为导带底附近的能槽，Ev为价带顶附近的能量。禁带宽度越大， 发出光波的波长就越短，即 其中 c 为光速，h 为普朗克常数。 发射光波长有一定的分布，光源发出的光谱有一定的宽度，这主要是因为导带和价 带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之 间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光。实验仪采用的 LED 光源中心波长为 850nm 。 2、PIN 型光电二极管的结构和工作原理 光电二极管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体 PN 结的光电效应实现的。 光电二极管的基本结构是 PN 结。当外加反偏电压方向与 PN 结内电场方向一致时， 用光照射 PN 结及其附近时就产生光生载流子，光生载流子在势垒区电场作用下漂移过 结，参与导电。当入射光强变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流随之变化， 这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系，从而保证了光功率在很大范围内 与电压有如下线性关系 其中 P 为光功率， U 为 PN 结两端电压， K 为比例系数。 3 由于 PN 结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低， 响应速度慢。为改善器件的特性，在 PN 结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称 为 I) ，这种结构便是常用的 PIN 光电二极管。 PIN 光电二极管的工作原理和结构见图 1.3 。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征 半导体，用Ⅱ（N）表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层 很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子—空穴对， 因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几 乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。 另外，可通过控制耗尽层的宽度ω，来改变器件的响应速度。 PIN 光电二极管具有如下主要特性： （1）量子效率和光谱特性。光电转换效率用量子效率 η 或响应度 ρ 表示。量子效率 η 的定义为一次光生电子一空穴对和放射光子数的比值 响应度的定义为一次光生电流Ip，和入射光功率P0的比值 式中，hf 为光子能量，e 为电子电荷。 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，P 层和 N 层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I 层全部耗尽，那么 PIN 光电二 极管的量子效率可以近似表示为 4 式中，a(λ)和 d 分别为 I 层的吸收系数和厚度。由上式可以看到，当 a(λ)d>>1 时， η→1 ，所以为提高量子效率 η，I 层的厚度 d 要足够大。 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱a(λ)。对于λc，满足以下关系：λc＝ hc/Eg (2)响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间 τ或截止频率fc表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的 10％ 上升到 90 %，或后沿由 90％下降到 10％的时间，分别定义为脉冲上升时间τr和脉冲下 降时间τf 。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近 指数函数exp(t/τ0)和 exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时间 对于幅度一定，角频率为ω＝2πf的正弦调制信号，用光生电流I(ω)下降在 3dB的频 率定义为截止频率fco。当光电二极管具有单一时间常数τ0时， PIN 光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间τd和 包括光电二极管在内的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 电路RC常数所确定。当调制频率ω与渡越时间τd的倒数可以 相比时，耗尽层（I层）对量子效率η(ω)的贡献可以表示为 由η(ω)/ η(0)=1/ 2 得到由渡越时间τd限制的截止频率 式中，渡越时间τd＝d /νs, , d为耗尽层宽度，νs为载流子渡越速度，比例于电场强 度。由式（1-8）和式（1-9）可以看出，减小耗尽层计划宽度d，可以减小渡越时间τd， 从而提高截止频率fc。 由电路 RC 时间常数限制的截止频率 式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cf和管壳分布电容 Ck的总和。 5 式中，ε为材料介电常数，A 为结面积，d 为耗尽层宽度。 (3)噪声。噪声是反映光电二极管特性的一个重要 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ，它直接影响光接收机的灵敏 度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声（Shot Noise）和由负载 电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流（在 IΩ负载上消 耗的噪声功率）来描述。 均方散粒噪声电流 式中，e为电子电量，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。 第一项 2eIpB称为量子噪声，是由于入射光子和所形成的电子—空穴对都具在离散性 和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声， 它决定光接收机灵敏度的极限。 第二项 2eIpB是暗电流产生的噪声。暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产 生的反向直流电流，它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本 征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有关，例如Si- PIN，Id < 1nA，Ge-PIN ， Id>100nA 。 均方热噪声电流 s 式中，k =l.38×10-23J/K，为玻耳兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负 载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此，光电二极管的总均方噪声电流为 四 实验内容及操作要点 1、连接光路，取出发射-接收光纤，分别与 PIN 接口及 LED 接口相连。 2、接通电源， LED 驱动电流显示窗上将指示出 LED 的驱动电流值，（单位：mA）。 调整电流调节按键使电流达到最小。 6 3、每隔 2.5mA ，对应记录下经光电转换放大后的输出电压值（单位： mV ) ，此电压 值正比于光输出功率。 五 数据记录及处理 1、把直接测量数据 I、U 填入下表，并根据 1—2 式算出 P 值。 次 数 1 2 3 4 5 6 7 I(mA) U(mV) P(uW) 次 数 8 9 10 11 12 13 14 I(mA) U(mV) P(uW) 2、根据数据作 LED 光源的 I - P 特性曲线。 实验二 光纤纤端光场径向分布的测试 光纤纤端光场的分布是反射式光纤传感实验的基础。通过纤端光场的分布的测量可 以给使用者以直观的印象，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。同时，它 的测量涉及到光纤传感器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、使用方法等基本问题，具有重要意义。 一、实验目的 1. 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件,学习和掌握其正确使用 方法； 2.定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法； 3.测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。 二、实验仪器 光纤传感实验仪主机（图 1）、接收光纤（图 2）、发射光纤（图 3）、准三维调节架（图 4）。 7 图 1 光纤传感实验仪主机 0 0 0 0 0 0 0 0 DL UL mA µW mV FOS-III Fiber-optic Sensing Instrument 光纤传感实验仪 哈尔滨智能光电 科技有限公司 LED PIN AUTO PRO RET DOWN UP LED—光源输出插座； PIN—光探测器输入插座； AUTO—自动步进键； PRO—编程控制键； UP、DOWN—配合 PRO 设定输出电流上下限； SET—设置键； UL、DL、mA、mV、µV—仪器显示状态指示灯。 LED PIN 黑色 红色 图2 反射接收光纤组件 反射接收探头 PIN 黑色 图3发射接收光纤组件 透射接受探头 图 4 二维调节架 三、实验原理 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，称其为准高斯分布。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。实际情况接近于两者的某种混合。为分析方便起见，作以下假设： 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 束两部分构成的。 出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间中传输的准高斯光束 叠加而成。 在以上假设下可推导出理论公式(1)(详细推导请参照参考文献[1]) ),( zrI r ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +−++= 2202 22 0 2 4 0 222 22 02 0 2 12 2 02 0 )(4 2 exp )4( )2( )( ω ω ωλ πω kz rk kz qa z krJ r apI （1） 式(1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布 叠加的结果。 8 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 与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数ξ，可以给出如下 结果 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += 023 0 0 )(1)( θξσω tga zaz （2） 实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ=2-1/2；对于突变折射率分布的光纤通 常取σ=1，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 1,0 ≈≈ qp 。 因而对于大芯径多模光纤，为使用方便，式（1）通常取如下形式 I= [ ] [ ] ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ + −⋅+ 22/30202 2 22/3 0 2 0 2 0 )/(1 exp )/(1 cc tgaza r tgaza I θξσθξσ （3） 四、实验内容及操作要点 1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动调节架上，并使两 光纤探头间距调到约 1mm 左右； 2、接通电源，将 LED 驱动电流调到指定电流（35mA）； 3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入 射光纤和出射光纤已对准； 4、调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋 测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转 0.5mm（两光纤探头的间距） 停止； 5、沿某一方向旋转横向微动调节架，直至输出电压为零，再向相反的方向旋转一点， 记录螺旋测微器的读数，继续向该方向旋转，每转过 5 个小格记录电压输出值，直至电 压再次变为零； 6、将两光纤探头的间距调到 1.0mm，重复步骤 5。 五、实验数据及数据处理 在同一坐标纸上作出两条曲线（数据表格自行设计）。 注：（两光纤探头的间距也可自行设定，也可根据需要测出多条实验曲线。还可以改 变 LED 的驱动电流，然后再作曲线，以获得在不同驱动电流下的输出特性。或根据需要 自行设计实验内容。） 实验三 光纤纤端光场轴向分布的测试 随着光通信技术的发展，派生出了光纤光纤传感技术及光纤传感器的应用。就外部 调制型光纤传感器而言，如反射接收型、直接入射型、光闸型等等，一般由入射光源光 纤、调制器件及接收光纤组成。而接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而变化，其 光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射的光场相关。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重要。通过纤端光场的分布的测 量有助于使用者了解纤端光场的分布特点，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的 掌握。 9 一、实验目的 1． 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件,学习和掌握其 正确使用方法； 2． 定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法； 3． 定量的测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。 二、实验仪器 光纤传感实验仪主机（图 1）、接收光纤（图 2）、发射光纤（图 3）、准三维调节架（图 4）。 三、实验原理 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，称其为准高斯分布。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。实际情况接近于两者的某种混合。为分析方便起见，作以下假设： 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 束两部分构成的； 出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间中传输的准高斯光束 叠加而成。 在以上假设下可推导出理论公式(1)(详细推导请参照参考文献[1]) ),( zrI r ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +−++= 2202 22 0 2 4 0 222 22 02 0 2 12 2 02 0 )(4 2 exp )4( )2( )( ω ω ωλ πω kz rk kz qa z krJ r apI （1） 式（1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯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，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地 与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数ξ，可以给出如下 结果 ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ += 023 0 0 )(1)( θξσω tga zaz （2） 实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ=2-1/2；对于突变折射率分布的光纤 通常取σ=1，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 。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便，式（1）通常取如下形式 1,0 ≈≈ qp I= [ ] [ ] ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ + −⋅+ 22/30202 2 22/3 0 2 0 2 0 )/(1 exp )/(1 cc tgaza r tgaza I θξσθξσ （3） 四、实验内容及操作要点 1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动调节架上，并使两 光纤探头间距调到约 1mm 左右； 2、接通电源，将 LED 驱动电流调到指定电流（如：40mA）； 3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入 射光纤和出射光纤已对准； 10 4、调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋 测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，每转过 5 个小格记录电压输 出值，直至输出电压变为零。 五、实验数据及数据处理 在坐标纸上作出理论曲线和实验曲线。 注：（还可以改变 LED 的驱动电流，然后再作曲线，以获得在不同驱动电流下的输 出特性。或根据需要自行设计实验内容。） 实验四 反射式光纤位移传感实验 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，可用以测量多种可转 换成位移的物理量。 一、实验目的： 1、了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件,学习和掌握其正确 使用方法； 2、了解一对光纤（一个发光、一个接收光）的反射接收特性曲线； 3、学习掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。 二、实验仪器： 光纤传感实验仪主机（图 1）、反射接收光纤（图 2）、准三维调节架（图 3）。 三、实验原理： 采用的光纤传感器的原理如图 4 所示。光纤探头 A 由两根光纤组成，一根用于发射 光，一根用于接受反射镜反射的光，R 是反射镜。系统可工作在两个区域中，前沿工作 区和后沿工作区（见图 5）。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。 就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依 据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出 φ πσ ξ σ ξ( , ) [ ( / ) ] exp [ ( / ) ]/ /r x I a x a r a x a = + ⋅ − + ⎧⎨⎩ ⎫⎬⎭ 0 2 0 2 0 3 2 2 2 2 0 2 0 3 2 21 1 （1） I xA ( ) I A0 R A 等效镜面光纤接收光纤 光源光纤 X r xx （b）等价光纤坐标系统（a）光纤探头示意图 图 4 光纤反射调制原理图 式中 为由光源耦合入发送光纤中的光强；I0 φ( , )r x 为纤端光场中位置 ( , )r x 处的光通 量密度；σ 为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，σ = 1；a 为光0 11 纤芯半径；ξ 为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参 数。 如果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，所接收到的光强 可表示为 ds x r x IdsxrxrI S S ∫∫ ∫∫ ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧⋅== )( exp )( ),(),( 2 2 2 0 ωπωφ （2） 式中 （3） ])/(1[)( 2/300 axax ξσω += 这里，S 为接收光面，即纤芯端面。 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来作为整 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 ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧−⋅= )( exp )( ),( 2 2 2 0 x r x SIxrI ωπω （4） 如图 4 所示的光纤传感探头，当光纤传感器固定时，反射器可在光纤探头前作垂直 于探头方向的移动。设反射面到探头的间距分别为 x，则如图 4（b）所示，光纤探头的 调制函数为 ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧−⋅= )2( exp )2( )( 2 2 2 0 x r x RSIxI A ωπω （5） 对于本系统设计采用的多模光纤，σ = 1，光纤芯半径 a m ，两光纤间距m0 01= . r mm≈ 0 34. ，综合调制参数ξ = 0 026. 。其归一化理论曲线如图 5 所示。 理论曲线 0 50 100 150 200 0 1 2 3 4 5 6 距离(mm) 光 强 分 布 图 5 反射式调制特性曲线 四、实验内容和要求： 1、 反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量 实验步骤： （1）、将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上，对准反射器并使光纤探头与反射 镜间距调到约 0.1mm 左右； （2）、接通电源，将 LED 驱动电流调到指定电流； （3）、调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录 下螺旋测微器的读数，然后停止； （5）、沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节 0.1mm 并记录螺旋 测微器的读数和电压输出值，直至 5mm； 12 （6）、在坐标纸上作出一条曲线。 实验五 微弯式光纤位移传感器 微弯式光纤传感器是根据光纤微弯变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的 原理制成的全光纤型传感器。微弯式传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过 对纤芯中光强度的变化来实现信号能量的转换；而后者则检测包层中的光信号。本实验 就是利用光纤微弯变形引起纤芯中传输的光波强度的变化来实现位移或压力的检测。 一、实验目的： 1、了解光纤弯曲损耗的机理极其特性； 2、学习利用弯曲损耗测量位移的方法； 3、学习利用弯曲损耗测量压力的方法。 二、实验仪器： 光纤传感实验仪主机（图 1）、发射与接收光纤（图 2）、准三维调节架（图 3）。 三、实验原理： 微弯型光纤传感器的原理结构如图 4 所示。当光纤发生弯曲时，由于其全反射条件 被破坏，纤芯中传播的某些模式光束进入包层，造成纤芯中的光能损耗。为了扩大这种 效应，我们把光纤夹持在一个周期波长为Λ的梳妆结构中。当梳妆结构（变形器）受力时， 光纤的弯曲情况将发生变化，于是纤芯中跑到包层中的光能（即损耗）也将发生变化。 近似的把光纤看成是正弦弯曲，其弯曲函数为 (1) , ),0(0 )0(sin )( ⎩⎨ ⎧ >< ≤≤⋅= Lzz LzzA zf ω 式中 L 是光纤产生微弯的区域， Λ= πω 2 是其弯曲频率，Λ为其弯曲波长。光纤由于弯 曲产生的光能损耗系数是 ( )[ ]( )⎩⎨ ⎧ − −= 2 2sin 4 2 L LLA c c ωω ωωα + ( )[ ]( ) ⎭⎬ ⎫ + + 2 2sin L L c c ωω ωω （2） 式中ω 称为谐振频率。 c F 1 Λ 光纤 Λ /2 2A f(z) Z (a) （b） 图 4 微弯型光纤传感器原理结构图 βββπω ∆=−=Λ= '2 cc （3） 13 Λ 为谐振波长，β和β ' 为纤芯中两个模式的传播常数，当c cωω = 时，这两个模式的光 功率耦合特别紧，因而损耗也增大。如果我们选择相邻的两个模式，对光纤折射率为平 方律分布的多模光纤可得 r∆=∆ 2β （4） r 为光纤半径，∆为纤芯与包层之间的相对折射率差。由（3）和(4)可得 ∆=Λ 22 rc π （5） 对通讯光纤 mr µ25= ， 则01.0≤∆ mmc 1.1≅Λ 。 （2）式表明损耗α与弯曲幅度的平方成正比，与微弯区的长度成正比。通常，我们让光 纤通过周期为Λ的梳状结构来产生微弯。按（5）式得到的Λc一般太小，实用上可取奇数 倍，即 3、5、7等，同样可得到较高灵敏度。 四、实验内容及要求： 1、微位移测量及微弯损耗特性研究 将微弯变形器嵌入三维微位移调节器上（仪器上已经安装好），被测光纤（采用的是 芯径 50 微米多模光纤，两端分别封装LED光源和PIN光电探测器件用Q9头与光纤传感实 验仪相连）放置在微弯变形器中。利用微动调节旋钮（即螺旋测微器，最小刻度 10-5 m） 首先使微弯器与光纤接触，记录此时的PIN探测信号经放大后的输出电压值，同时记录当 前螺旋测微器的示值，然后，每旋进 20 微米记录一次电压输出值。（注意：不要过力压 迫光纤以免光纤被压断）将所得数据作成曲线，该曲线即可作为微位移测量的标定曲线， 用于微位移检测。利用这条曲线可方便的对光纤微弯损耗的特性进行研究。 实验六 光纤传感器应用——转速与震动测试 一 实验目的 了解传光型光纤传感器的原理及应用。 二 实验仪器 CSY10G型光电传感器系统实验仪， 光纤， 光电变换组件， 光纤变换电路， 电压/频率表，反射片（电机叶片），位移平台。 三 实验原理 实验仪中所用的为传光型光纤传感器，光纤在传感器中起到光的传输作用，因此是 属于非功能型的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之 用，其工作原理如图 6所示。 14 I xA ( ) I A0 R A 等效镜面光纤 接收光纤 光源光纤 X r xx （b）等价光纤坐标系统 （a）光纤探头示意图 图 6-1 光纤反射调制原理图 理论曲线 0 50 100 150 200 0 1 2 3 4 5 6 距离(mm) 光 强 分 布 图 6-2 反射式调制特性曲线 四 实验内容 1. 将光纤、光电变换组件与光纤变换电路相连接。 2. 光纤探头安装于位移平台的支架上用紧定螺丝固定，电机叶片对准光纤探头，注意保 持两端面的平行。 3. 尽量降低室内光照度，移动位移平台使光纤探头紧贴反射面，此时变换电路输出电压 Vo 应约等于零。 4. 旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤端面离开反射叶片，找出最大输出电压值的位 置。 5. 光纤变换电路中 Fo 端输出为整形电路输出，它可以将光纤探头所测到脉动信号整形 为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的 5VTTL 电平输出，以供仪器中的数据采集卡计数之用。 6. 开启转速电机，调节转速，用示波器观察 Vo 端输出电压波形和经过整形的 Fo 端输出 方波的波形。 7. 用示波器或频率计读出电机的转速。 8. 用示波器测量 Vo 端，根据波形峰值判断旋转电机叶片的抖动情况。 实验七 光纤传感器应用——温度测量 一 实验目的 了解光纤传感器测温原理及应用。 二 实验仪器 15 16 CSY10G型光电传感器系统实验仪， 光纤， 光电变换组件， 光纤变换电路， 电压表，热源，位移平台。 三 实验原理 光纤变换电路中的近红外接收—放大部分如接收热源中的近红外光，输出电压就会 随温度变化。 四 实验内容 1、将一根光纤插入光电变换块的接收孔，并将端面朝向光亮处，使输出电压 Vo 变化， 确定无误，用紧定螺丝固定位置。 2、将光纤探头端面垂直对准一黑色平面物体（黑色橡胶）压紧，此时光电变换器 Vo 端 输出电压为零。 3、将光纤探头插入一个完全暗光的环境中，电路 Vo 端输出为零，用手指压住光纤端面， 即使在暗光环境中，电路也有输出，这是因为人体散射的红外信号通过光纤被近红外 接收管接收后经放大转换为电信号输出。 4、将光纤探头靠近热源，打开热源开关，观察随热源温度上升，光电变换器 Vo 端输出 变换情况。 5、画出电压输出信号随探头与热源的距离变化关系曲线。 实验八 光纤光栅应变传感实验 一 实验目的 1、掌握光纤光栅的原理； 2、掌握光纤光栅的传感原理； 3、掌握光纤光栅的解调原理； 4、了解信号检测及信号处理的一般方法。 二 实验仪器 1、光纤光栅应变传感实验仪， 2、SYG—E 光纤光栅解调实验仪。 三 实验原理 1、光纤布喇格光栅原理 光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变， 导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇 异性，图5.1表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为： (1) 式中 F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性： 式中 a1 为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的n1为纤芯初始折射率；n2为包 层折射率；△n(r,φ,z）为光致折射率变化；△nmax为折射率最大变化量。 因为制作光纤光栅时需要去掉包层，所以这里的n3一般指空气折射率。之所以式中出 现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。 为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分 析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分 为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际 应用来看，非均匀性主要包括光栅周期及折射率调制沿 Z 轴的渐变性、折射率调制在横 截面上的非均匀分布等，它们分别可以采用对光栅传播常数 kg 修正——与 Z 相关的渐 变函数φ(z)，以及采用 △n(r）代表折射率调制来描述。为了更全面地描述光致折射率 的变化函数，可以直接采用傅里叶级数的形式对折射率周期变化和准周期变化进行分解。 17 基于这些考虑，可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化： (2) 式中Fo(r,φ,z）表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均 匀性，或其他因素造成的光栅轴向折射率调制不均匀性，并有Fo(r,φ,z）max＝ l , 这些 不均匀性将会影响到传输光波的偏振及色散特性；kg＝ 2π／Λ为光栅的传播常数；Λ为 光栅周期； q 为非正弦分布（如方波分布）时进行傅里叶展开得到的谐波阶数，它将导 致高阶布喇格波长的反向耦合； aq为展开系数；φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。 正因为φ(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数，对包含有φ(z)的非正弦 分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开。可以得到光栅区的实际折射率分布为 (3) 该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光 纤光栅特性的基础。 2 、光纤布喇格光栅传感原理 光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出： (4) 这里λUV是紫外光源波长，θ是两相干光束之间的夹角。 由于周期性的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波 在光谱中传播时，入射光将会在相应的频率上被反射回来，其余的透射光谱则不受影响， 这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先由威 廉．布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格光栅，反射条件称为布拉格条件。在 布拉格光栅中，反射波长由下式给出： (5) 其中neff是光纤芯区有效折射率。只有满足布拉格条件的光波才能被布喇格光栅反射。 对上式取微分可得： (6) 18 从式中可以看出，当外界的应力发生改变时，将会导致光纤光栅的Λ或者neff的改变， 因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。 图 5.2 光纤光栅传感原理示意图 光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导 致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅 Bragg 信号的波长位移 △λ，通过 监测 Bragg 波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。 由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由 下式给出： (7) 这里λB是光栅布拉格反射波长，△λB为在外界应力作用下光栅布拉格反射波长移动量， ε是光纤轴向应变，可表示为： (8) 在实际应用中， ε是个很小的量，为此引入应变量的10-6，με作为光纤光栅度量 单位。 3 、光纤布喇格光栅解调原理 光纤布喇格光栅的解调有多种方法，下面介绍匹配光纤光栅解调法。匹配光纤光栅 检测信号的基本原理如下图所示，其中左图为传感光栅与解调光栅的配置，右图为两光 栅的反射谱及检测到的信号．选用一个与传感光纤光栅 FBG1 参数相近的光纤光栅 FBG2 （匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适的偏置．传感 光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光 栅的反射谱和透射谱中。当传感光纤光栅受到应变的微扰时，其输出的反射谱在一定范 19 围内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入 给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射， 而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比．当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器 探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅 FBG1和匹配 光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着 FBG1上的微扰，在 FBG2的反射谱中可检测到相 对应的一定光强度的光信号。 图 5.5 光纤光栅解调原理图 4 、应变体及其加载装置 实验用应变体可以采用悬臂梁结构，也可采用简支梁结构。 悬臂梁 一个矩形弹性形变体一端固定，另一端安装一个螺旋测微器，作为加载装置如下图 所示： 简支梁 20 一个矩形弹性形变体两端固定，中间安装一个螺旋测微器，作为加载装置。如下图 所示： 四 实验内容及操作要点 1、将光纤光栅应变传感实验仪活动接头上的陶瓷插针的塑料保护盖拔出； 2、取出一片无尘擦拭纸，在纸上滴几滴酒精，擦拭活动接头上的陶瓷插针； 3、将活动接头连接到 SYG—E 光纤光栅解调实验仪的光纤输入插座； 4、将光纤光栅应变传感实验仪的螺旋测微器的读数调到 13mm 的位置，并以此位置作为 零点位置，然后接通电源； 5、调节螺旋测微器的读数，每次减小0.25mm，记录螺旋测微器的读数； 6、调节 SYG—E 光纤光栅解调实验仪的波长旋钮，注意观察解调实验仪面板显示的数值， 当出现了光强读数增加又减小的趋势时，表示出现一个最大值； 7、精确调节至该最大值，记下此时的调节旋钮刻度，根据 《 刻度与波长对照表 》 查 出相应的波长值，即得到外接光纤光栅的中心波长； 8、记录光纤光栅应变传感实验仪螺旋测微器的读数改变值 ― 对应的光纤光栅的中心波 长； 9、调节光纤光栅应变传感实验仪螺旋测微器的读数，从 13mm一直到8mm, 从而得到一组 数值。 10、调节光纤光栅应变传感实验仪螺旋测微器的读数，从8mm逐渐减小到13mm，再得到一 组数值。 五 数据记录及处理. 21 1、将检测所得的数据填入下表 上表中x1表示应变体的螺旋测微器的读数的变化值（注意以光纤光栅应变传感实验仪 的螺旋测微器 13mm 的位置为零点位置）,x2表示光纤光栅解调仪中螺旋测微器的读数， λ表示对应的布拉格波长。 2、在平面坐标系上画出λ随x1变化的曲线，并比较所得两组数值。 实验九 光纤光栅温度传感实验 一 实验目的 1、掌握光纤光栅温度传感的原理； 2、进一步掌握光纤光栅布拉格波长的检测方法； 3、掌握光纤光栅温度传感的优点及其适用范围。 二 实验仪器 SYG—WK 光纤光栅实验温控器，SYG—E 光纤光栅解调实验仪，宽带光源，分路 器 三 实验原理 1、光纤光栅温度传感原理 当光纤光栅不受应力作用，只是环境温度发生变化时，光纤光栅中心反射波长的变 化为 22 式中α =(1/L) (dL/dT)，为光纤的热膨胀系数，ζ = (1/n)(dn/dT)，为光纤的热光系数。 由此可见，光纤光栅周围温度的变化可以由光纤光栅布拉格波长的变化来反映，即： k1为温变系数，△T为温度的改变量，△ Bλ 为布拉格波长的改变量。 2、光纤光栅温度传感结构图 光纤光栅温度传感示意图如 6.1 所示，宽带光源发出的光经耦合器传送到光纤光栅， 光纤光栅反射回一个窄带光，窄带光经耦合器传送到解调器，从而可测出反射回来的窄 带光的中心波长，即布拉格波长。光纤光栅作为传感探头放在 SYG—WK 光纤光栅实验 温控器的温控盒中，温控盒中的温度是可变的，而温控盒中温度的变化会导致解调器所 检测的布拉格波长发生变化。 四 实验内容及操作要点 1、将光纤光栅感温探头活动接头上的陶瓷插针的塑料保护盖拔出； 2、取出一片无尘擦拭纸，在纸上滴几滴酒精，擦拭活动接头上的陶瓷插针； 3、将 光纤光栅感温探头插入 SYG—WK 光纤光栅实验温控器中； 4、将光纤光栅感温探头活动接头连接到 SYG—E 光纤光栅解调实验仪的纤输入插 座； 5、接通 SYG—E 光纤光栅解调实验仪电源以及 SYG—WK 光纤光栅实验温控器的 电源； 6、调节 SYG—WK 光纤光栅实验温控器的温控旋钮，使温度值最小（根据当时的 环境温度值设定）; 23 7、调节 SYG—E 光纤光栅解调实验仪的波长旋钮，注意观察实验仪面板显示的数 值，当出现了光强读数增加又减小的趋势时，表示出现一个最大值； 8、精确调节至该最大值，记下此时的调节旋钮刻度，根据《刻度与波长对照表》查 出相应的波长值，即得到外接光纤光栅的中心波长； 9、记录此时的温度值——对应的光纤光栅的中心波长； 10、调 SYG—WK 光纤光栅实验温控器的温控旋钮，每次使温度升高 5℃，一直到 温度增加到 60℃为止，记录温度值及对应的光纤光栅中心波长。 6 . 5 数据记录及处理 l、将检测所得的数据填入下表 2、在平面坐标系上画出其曲线。 附录： SYG—E 光纤光栅解调实验仪 1、概述 SYG—E 光纤光栅实验仪是用于光纤光栅解调实验的专用仪器。该实验仪外接不同的 光栅传感探头就可以进行不同的光栅解调实验，例如当它外接光栅测温探头时可以进行 光栅温度实验，外接光栅应力探头时可进行光栅应力实验。 2、工作原理 本实验仪的结构框图如下所示，从宽带光源发出的光经祸合器传送到 FBG 传感器。 FBG 传感器反射回的光经过耦合器引入到可调谐 F—P 腔中。通过调节螺旋测距仪，使 透过 F—P 腔的光的波长发生改变。若 F—P 腔的透射波长与 FBG 的反射波长重合，则 探测器能探测到最大光强，根据此刻的螺旋测距仪的读数，通过查找“刻度一波长对照 表”，就可得到被测光栅的中心波长。 24 图 3 SYG—E 光纤光栅实验仪结构框图 波长调节部分的核心为一个可调谐的法布里—泊罗腔（ F—P 腔）。两个光纤的端 面和中间的空气可以构成一个 F—P 腔，当一定波长范围的光平行入射到 F—P 腔时， 只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，产生相干极大。利用 F —P 腔的 这个特性可以对 FBG 传感器的反射波长进行检测。两光纤的端面间的距离可调时该 F— P 腔构成一个可调谐的 F—P 腔，反射波长可变。 3、使用说明 (1)操作步骤 1．将电源线接好，开启电源开关； 2．接土用于温度或应力实验的光纤光栅接头，并且将探头放入被测介质中； 3．从大到小调节波长旋钮，注意观察实验仪面板显示的数值； 4．当出现了光强读数增加又减小的趋势时，表示出现一个最大值，精确调节至该最大值， 记下此时的调节旋钮刻度； 5．根据“刻度一波长对照表”查出相应的波长值，得到外接光纤光栅的中心波长； 6．撰写实验报告，绘制光强、刻度、波长关系曲线。 25 (3）注意事项 1．若外接的被测光栅由于外界因素（例如温度或者应力）的变化导致被测光栅的中心波 长发生变化后，重新测量时会发现此时相应的刻度也会发生变化； 2．顺时针调节旋钮，则向内推进；逆时针调节旋钮则向外推出。当向外调节到拧不动时 表示已经到达最大范围，不可强拧。旋钮的最大可调范围为 lmm—12mm，如果再继 续强行旋转则会损坏内部元件； 3．实验完毕之后要将旋钮置于刻度为 6mm 或之后，以延长仪器的使用寿命。 4．有时调节过程中会出现数个峰值，表示被测光栅有数个中心波长。如果在整个调节过 程中均没有出现峰值，则说明被测量光栅的中心波长不在该仪器的调节范围内，必 须重新选择被测光栅； 26 5．每台仪器相对应不同的“刻度一波长对照表”，必须注意对照表的编号是否与仪器的 编号一致。 实验中各参数之间的关系实验进行期间会遇到三个数值，这二个数值的关系如图所 示。其中光强值（即面板显示的读数）只起参考作用，当光强最大值出现时所对应的螺 旋测距仪的刻度才是实验中所关心的数值，而光强值本身并不重要。通过查找“刻度一 波长对照表”得到的与该刻度对应的波长值为实验最终要得到的值。当被测光栅的中心 波长相同时，出现光强最大值的位置是相同的，即旋钮刻度也应是一致的。但由于光栅 反射光的强度并不相同，所以面板上的光强读数值有可能并不相同。如图所示，被测光 栅 A 和 C 的中心波长相同，但是其最大值的光强值并不致。 4、技术指标 1．中心波长可调范围： 1285—1292nm 2．螺旋测距仪的有效调节范围：1.5mm—6mm，最大可调范围：1—12mm 3．最小分辨率：0.03nm 4．波长精度：0.08nm 5．光强显示： 3.5位数码管显示 6．输入电压： 27 《光纤传感技术》实验讲义 华侨大学信息科学与工程学院 实验一 LED发光二极管I—P 特性曲线测试 实验八 光纤光栅应变传感实验 实验九 光纤光栅温度传感实验 附录： SYG—E 光纤光栅解调实验仪