光纤传感器综合实验

1. 光纤传感器综合实验 中国计量学院光学与电子科技学院 制作人：余向东

2. 提纲 • 实验的意义 • 一.实验目的 • 二.实验基础理论 • 三.仪器介绍 • 四.实验内容及要求

3. 光纤传感器综合实验的意义 光纤传感器是70年代迅速崛起的前沿科学技术。近年来, 随着光纤传感技术的发展，光纤传感系统在国防军事、航空航天、工矿企业、土木建筑、能源环保、生物医学、计量测试、自动控制等各领域的应用日益广泛。 本综合实验，从简单到复杂，从基础到应用，系统地介绍了强度型光纤传感器的基本原理、实验方法，以及实际应用的实例。学生通过本综合实验的学习，不仅巩固了有关光纤传感器的理论知识，掌握验证其理论的实验方法，而且可以学会如何运用其理论知识进行工程运用。因此，该实验不仅丰富了大学实验的教学内容，拓宽了学生的知识面，而且可以进一步调动学生学习本专业的积极性，对于理工科院校学生将所学知识的工程应用化，具有积极的意义。

4. 一.实验目的 • 掌握有关强度型光纤传感器的基本原理。 • 掌握对基本原理进行验证的实验方法。 • 学会运用光纤传感器进行工程应用的方法。

5. 二.实验基础理论 1、光纤端出射光场的场强分布 2、透射调制方式 3、反射调制方式 4、微弯调制方式

6. 1、光纤端出射光场的场强分布 对于多模光纤来说，光纤端出射光场的场强分布由下式给出 ： 式中 I0为由光源耦合入发送光纤中的光强；φ(r,z)为纤端光场中位置(r,z)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=l；α0为光纤芯半径，ζ为与光源种类及光源跟光纤耦合情况有关的调制参数； 为光纤的最大出射角。

7. 1、光纤端出射光场的场强分布 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： 这里，S为接收光面，即纤芯面。 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：

8. 2．透射调制方式 最简单的透射式强度模拟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，接收光纤的输出光强被其位移调制。 透射型调制方式的分析较简单。在发送光纤端，其光场分布为一立体光锥，各点的光通量由函数φ(r,z)来描写，其光场分布坐标如下图所示。当接收光纤置于发送光纤纤端光场中时，所接收到的光强可近似地由式(4)给出。 当z固定时，得到的是横向位移传感特性函数,如下图所示。而当r取定时(如r=0)，则可得到纵向位移传感特性函数。

9. 3．反射调制方式 反射调制方式通常由两根光纤组成，一根作为光发射光纤，另一根光纤接收反射光并把光传到探测器。检测到的光强取决于反射体和探头之间的距离，如下图所示。双纤式坐标分析如下图所示，一般采用等效分析法。首先画出接收光纤关于反射体的镜像，然后利用透射分析法，直接计算出该镜像接收光纤在发送光纤纤端光场中所接收到的光强值。最后将该光强值乘以反射体的反射率R，作为实际系统的等效结果。下图所示的反射调制系统中，其接收光纤等效坐标位置为F(2z，d)。这里，d为发送光纤轴心到反射接收光纤轴心间的距离，将其代入式(4)，并乘以反射率R有：

10. 4．微弯调制方式 微弯损耗调制器的原理如下图所示。一根多模光纤夹在一个空间周期呈梳状结构的变形器中间，选取空间周期以使它与光纤中适当选择的两个模之间的传播常数差相匹配。因而，光纤中的光功率分布随空间感应耦合而变，特别是原来在纤芯中传播的某些光将转移到包层中。如果预定引起耦合的两个模的传播常数分别为β和β’，那么所需求的值∧是： △β=｜β-β’｜=2π／∧ （6） 其中∧为波纹周期。这是因为只有满足这种关系，相位失配才为零，模间耦合达到最佳。因此，波纹的最佳周期决定于光纤的模式特性。变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。调制系数可写成： 式中：T-光纤的传播系数；X-变形器的位移；P-压力。

11. 三.仪器介绍: 1、仪器结构 光纤传感实验仪是在光纤传感领域中的光纤透射技术、反射技术及微弯损耗技术等基本原理的基础上开发而成的。由光纤传感实验仪主机，LED光源、发射光纤，PIN光电探测器、接收光纤、三维微位移调节器、反射器、微弯变形器等组成的实验系统。如图l( (a) (b) (c) (d) (e) )所示。 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、Μw：仪器显示状态指示灯。 图l(a)光纤传感实验仪主机

12. 三.仪器介绍:1.仪器结构 (b)发射接收光纤组件 (d)接收光纤组件

13. 三.仪器介绍: 1、仪器结构

14. 三.仪器介绍: 1、仪器结构

15. 四.实验内容及要求 四.实验内容及要求 (一).基础实验 1.LED光源的I-P特性曲线测试 2.光纤纤端光场径向分布的测试 3.光纤纤端光场轴向分布的测试 4.反射式光纤位移传感器 5.微弯式光纤压力／位移传感器 (二).光纤传感实验仪基本应用 1.固体热膨胀系数测量 2.利用光纤传感实验仪实现压力测量 3.利用光纤传感实验仪实现温度测量

16. (一).基础实验 基础实验1. LED光源I—P特性曲线测试 发光二极管简称LED(Light Emitting Diode)，是目前比较常用的半导体光源。它的输出光功率(P)随驱动电流(I)的变化而变化。因此测量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。 一、 实验目的 1、了解“光纤传感实验仪”LED光源及PIN探测器的基本构造和原理； 2、熟悉LED光源的I—P特性，掌握I—P特性曲线的测量方法； 3、测量一组P、I值并绘出I—P特性曲线。

17. 基础实验1. LED光源I—P特性曲线测试 二、实验仪器 光纤传感实验仪主机(图1)、发射—接收光纤(图2)。

18. 基础实验1. LED光源I—P特性曲线测试 三、实验内容及操作要点 1、取出发射—接收光纤，将光源端与LED光源的插接座相连，探测器端与PIN探测器的插接座相连。 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。 3、从2.5mA开始，每隔2.5mA测一点，对应记录下经光电转换放大后的输出电压值(单位：mV，电压读数取整数)，此电压值正比于光输出功率。

19. 基础实验1. LED光源I—P特性曲线测试 四、 数据记录及处理 l、把直接测量数据I、U填入下表。 2、根据数据作LED光源的I-U特性曲线，此曲线和I-P曲线是一致的。

20. 基础实验1. LED光源I—P特性曲线测试 六、思考题： 请说出LED和LD,PIN和PD、APD的区别？

21. 基础实验(2) 光纤纤端光场径向分布的测试 基础实验(2) 光纤纤端光场径向分布的测试 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。

22. 基础实验(2) 光纤纤端光场径向分布的测试 二、实验仪器 光纤传感实验仪主机、接收光纤、发射光纤、准三维调节架。

23. 基础实验(2) 光纤纤端光场径向分布的测试 三、实验内容及操作要点 l、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lmm左右; 2、接通电源，将LED驱动电流调到指定电流(15mA); 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O.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，直至输出电压为最小，记下该值（该值为仪器的零点值，纪录的数据应扣除该值），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（0.05mm）记录电压输出值，直至电压再次变为最小;（电压取值取小数点后第一位）

24. 基础实验(2) 光纤纤端光场径向分布的测试 四、实验数据及数据处理 在坐标纸上作出曲线(数据表格自行设计)，并作相应分析。

25. 基础实验(3) 光纤纤端光场轴向分布的测试 基础实验(3) 光纤纤端光场轴向分布的测试 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。

26. 基础实验(3) 光纤纤端光场轴向分布的测试 二、实验仪器 光纤传感实验仪主机、接收光纤、发射光纤、准三维调节架。

27. 基础实验(3) 光纤纤端光场轴向分布的测试 三、实验内容及操作要点 l、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lmm左右； 2、接通电源，将LED驱动电流调到指定电流(如：15mA); 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，每转过30个小格（0.3mm）记录电压输出值（电压读数取整数），直至输出电压变为最小。

28. 基础实验(3) 光纤纤端光场轴向分布的测试 四、 实验数据及数据处理 在坐标纸上作出曲线(数据表格自行设计)，并作相应分析。

29. 基础实验(4) 反射式光纤位移传感实验 基础实验(4) 反射式光纤位移传感实验 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。

30. 基础实验(4) 反射式光纤位移传感实验 二、实验仪器 光纤传感实验仪主机、反射接收光纤、准三维调节架。

31. 基础实验(4) 反射式光纤位移传感实验 • 三、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（40mA）； • (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0.2mm并记录螺旋测微器的读数和电压输出值，直至10mm； • (6)、在坐标纸上作出一条曲线。 • 2、位移传感器标定 • 由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，既上升沿(前沿)和下降沿(后沿)，前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度低而动态范围较大，可视需要而定。在作为光纤传感器使用时，对传感器要进行标定。 • 标定方法是：根据调制特性曲线选则线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制特性曲线测试的实验内容。每隔50µm记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜问距与电压输出的特性曲线。于是，反射镜与光纤探头间的距离可由曲线的多项式拟合出来。

32. 基础实验(4) 反射式光纤位移传感实验 • 五、思考题： • 1、反射式光纤位移传感器的线牲工作区应如何选择？ • 2、请说说直射式光纤传感器的工作原理？

33. 基础实验(5) 微弯式光纤压力／位移传感器 实验(5) 微弯式光纤压力／位移传感器 • 一、实验目的： • 1、了解光纤弯曲损耗的机理及其特性； • 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、发射与接收光纤、准三维调节。

34. 基础实验(5) 微弯式光纤压力／位移传感器 • 三、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，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。利用微动调节旋钮首先使微弯器与光纤接触，然后从2mm点到1mm点，每旋进0.1mm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，每次读数至少稳定5分钟以上)将所得数据做成曲线，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。 • 2、用光纤传感实验仪实现压力测量的方法之一 • 实验装置可利用光纤传感实验仪附带的微弯板，根据需要自行设计实验装置来实现压力的检测。要实现压力的检测，只需将微弯板安装在您所设计的实验装置上，然后进行标定，经标定后的装置既可用于测量压力。

35. 基础实验(5) 微弯式光纤压力／位移传感器 • 四、思考题 • 请设计一款应用光纤微弯原理光纤压力传感器。（画出实验装置图、原理框图，并作简要说明）

36. (二).光纤传感实验仪基本应用 应用实验1.固体热膨胀系数测量 • 1.实验原理 • 实验表明，原长度为L的固体受热后，其相对伸长量正比于温度的变化，即： • ΔL／L=αΔt (1) • 式中的比例系数α，称为固体的线膨胀系数。L是固体的室温下的长度；ΔL是由于固体温度的升高而引起的长度的改变量；Δt是温升的绝对值。因此，在已知L的情况下，只要测得Δt和ΔL，就可以计算出固体的线膨胀系数口。实验中，可用温度计来检测固体的温度，用光纤传感实验仪构成光纤微位移传感器来测量其长度的微小伸长量ΔL。

37. 应用实验1.固体热膨胀系数测量 • 所构成的光纤传感器的原理如图l所示。光纤传感实验仪的光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接受反射镜反射的光，R是反射镜的反射率。 图1光纤反射调制原理图

38. 应用实验1.固体热膨胀系数测量 2.理论分析 如图1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l(b)所示，光纤探头的调制函数为： 对于本系统设计采用的多模光纤，σ=1，光纤芯半径α0=0.1mm，两光纤间距r≈0.34mm，综合调制参数ξ=0.026。其归一化理论曲线如图2所。 图2反射式调制特性曲线

39. 应用实验1.固体热膨胀系数测量 3.实验装置 如图3所示，被测金属棒放置在可通加热水的玻璃管(由支架P2和P3固定)内，H1为入水口，H2为出水口，金属棒的一端紧固在支座P1上，受热后另一端可以自由伸长。将温度计T从C孔插入并与金属棒接触，用来测量金属棒的温度。图中R是反射镜与金属棒相连，反射镜与光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，O为光纤探头可在支架P4内自由滑动，M1是一个螺旋测微器，与光纤探头相连，用于对光纤位移传感器进行标定。标定后测量时使它固定不动。 图3 测量及标定装置示意图

40. 应用实验1.固体热膨胀系数测量 4.测试方法 测量前首先要对传感系统进行标定。方法是：将光纤探头用光纤传感实验仪的螺旋测微器M推进至反射镜R，当光纤探头与反射镜即将接触时停止，然后将螺旋测微器向回旋转，在此过程中每隔100μm记录下光纤传感实验仪显示的电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。 于是，反射镜与光纤探头间的距离可由标定曲线的多项式计算出来。实际测量时，可以每升高一定的温度，记录下电压输出，采用逐差法计算待测物在一定温升的绝对伸长量，然后同温升一起代入(1)式进行计算。此时，ΔL=yi—yj，而i-j=4。 图4 光纤位移传感器标定曲线

41. 应用实验2 利用光纤传感实验仪实现压力测量 应用实验2 利用光纤传感实验仪实现压力测量 • C一型波登管式压力表是工业上用得最多最普通的压力表。它具有结构简单、使用方便等特点。可以直接测蒸汽、油、水和气体等介质的压力。这种仪表是根据虎克定律，利用弹性敏感元件受压后产生弹性形变，并将形变转换成位移放大后，用指针指示出被测压力的。当弹簧管受压后，管端的位移量由下式给出 • Δx=kP (1)

42. 应用实验2 利用光纤传感实验仪实现压力测量 • 其中k为一与弹簧管的材料及尺寸有关的系数。基于此关系式，我们在弹簧管的自由端固接一反射装置，因而该反射装置的位移与压力关系也由式(1)确定。正对反射装置的反射面，将光纤传感实验仪的双光纤反射探头作为光源和光信号通道，并与光纤定位器一起固定在压力表的壳体上，如图l所示。弹簧管受压力作用时，将发生变形，带动反射器产生一个位移，这样就改变了反射器与光纤之间的距离，从而使光纤接受到的光信号受到调制。通过对光信号大小的检测，便可确定相应压力的大小。 图1利用光纤传感实验仪构 成的压力测量装置示意图

43. 应用实验3 利用光纤传感实验仪实现温度测量 应用实验3 利用光纤传感实验仪实现温度测量 在温度测量中也可利用光纤传感实验仪来实现。图1给出的是用于测温的对称组合式双金属片温度变送装置。两个U形双金属片反转对称焊成一体，组合后的S形双金属片一端焊接在测温基座上，另一端与一个反射体相连。当温度变化时，双金属片的自由移动端带动反射体作水平方向的移动，调制反射接收光纤的光信号。从而实现了反射式光纤温度的测量。 由于这种双金属温度变送装置是由两个相同的双金属片反转对称组合而成的。因此与单一的双金属结构相比，其性能会有所改善。 图l利用光纤传感实验仪实现温度测量的方案

44. 结束！