光纤传感应用综合实验讲义简介.doc

光纤传感应用综合实验 GCFS-B 实 验 讲 义 武汉光驰科技有限公司 Wuhan Guangchi Technology Co.,LTD 目录 光纤端场传感实验的理论基础 4 实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线 12 实验二、透射式横(纵)向光纤位移传感（光纤数值孔径测量） 15 实验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量） 22 实验四、微弯式光纤位移/压力传感 28 实验五、光纤端场角度传感 33 实验六、光纤温度压力传感（传光型） 37 实验七、光纤火灾预警系统实验 40 实验八、光纤照明实验系统设计 45 前言 光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，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,显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.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化将引起光纤光波参数如光强,相位,频率,偏振,波长等的变化.因而,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术. 光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,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.功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称为传感型光纤传感器,或全光纤传感器.非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,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. 纤传感器,相位调制光纤传感器,频率调制光纤传感器,偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器. 光纤传感器按被测对象的不同,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,光纤流速传感器,光纤液位传感器等. 光纤传感器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量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,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实验系统.本实验系统的开放性,分立式可以增强学生对光纤传感的感性认识,提高学生的基本技能.在实验教学过程中,从实验原理,实验内容到实验仪器,实验方法等都很适合工科物理实验的教学要求,将应用技术和基础实验很好的结合起来. 本手册仅供使用光纤传感实验系统从事物理实验以及光纤传感应用的教师,学生和技术人员参考.限于作者水平,手册中谬误难免,恳请读者不吝批评指正.衷心希望在我们的共同努力下,能够推进光纤传感这一先进技术的学习和普及. 光纤端场传感实验的理论基础 光纤传感器一般可分为两大类，即功能型传感器（Function fiber optic sensor）和非功能型光纤传感器（Non-function fiber optic sensor）。所谓功能型是利用光纤的本身的特性把光纤作为敏感元件，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化，光纤仅作为光的传输介质，传输敏感区传来的是经过被测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、直接透射型等，一般是由入射光源光纤、调制器件和接收光纤组成。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重要。 这类传感器在早期的设计中，许多的人都采用了均匀性假设，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均匀的。这明显与实际不符，只能局限于一定的条件下的近似应用。Hoogenboom等人曾提出纤端出射光场强分布可用高斯型函数来描写。Takai与Asakura计算了入射光为激光光源情况下的多模光纤纤端出射场的性质，给出的平均强度分布为 (1) 式中 ————散斑场的相干长度 ———— 光纤芯半径 ———— 光波长 ———— 对于如下情况：①坐标参数z→0，②光源为相干长度=0的热光源，公式(1)失效。 为了给出一个既与实际相符，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，