实验五光纤传感器位移测量一、目的1 ．熟悉反射式强度外调制光纤位移传感器的工作原理。

2 ．掌握光纤位移传感器测量位移的方法。

二、实验设备光纤(光电转换器〉、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片三、实验原理1 ．光纤导光的基本原理。

光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。

然而根据光学理论：当所研究对象的几何尺寸（指光纤的芯径）远大于所用光波的波长，而光波又处在折射率变化缓慢的空间时可用“光线”即几何光学这一直观又容易理解的方法来分析光波的传播现象。

根据折射定律：光由光密媒质n0 射向光疏媒质n1时，折射角大于入射角，当入射角增至某一临界角ϕc时，出射光线沿两媒质的分界面传播，当入射角继续增大，ϕ0 >ϕc时，入射光线将不能穿过分界面而被完全反射回光密媒质中，这就是全反射。

光纤是由折射率较高（光密介质）的纤芯和折射率较低（光疏介质）的包层构成的双层同心圆柱结构。

能在光纤中传输的光线是满足全反射条件的子午光线（过光纤的轴心线，传播路径始终在一个平面内。

）和斜光线（不经过光纤轴心，不在一个平面内，它是一空间曲线）这两种光线称为受导光线。

在此只简要说明子午光线入射光纤的情况。

当光线与光纤光轴成θ角入射时，在纤芯内部将以ϕ0入射到纤芯的侧壁。

由于ϕ0>ϕc和n0> n1 ，则光在侧壁上产生连续向前的全反射，光在纤芯内成“之”字形传导，直至由终端射出。

如果入射角θ过大致使ϕ0角不能满足全反射的临界要求，即ϕ0< ϕc，光线会穿过纤芯的侧壁而逸出，产生漏光。

因此，最大入射角θ不能超过下式所要求的值式中，n为光纤所在环境的折射率（若为空气，则n=1），n sin 定义为数值孔径，记作NA，它是衡量光纤集光性能的主要参数。

它表示，无论光源发射功率多大，只有2θ张角内的光才能被光纤接收、传播（全反射），NA愈大，光纤的集光能力愈强。

2．光纤中光波的调制和相关的反射机制。

通过光纤传感器的敏感头（或传感臂）与外界待测对象相互作用，将待测量的信号传递到光纤内的导光波中，或信息加载于光波之上，这个过程称为光纤中光波的调制，简称光调制。

外界待测量可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位和偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。

利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量的原理称为光强度调制。

（光电探测器只能探测光的强度。

）光强度调制分为外调制和内调制两种形式。

外调制的调制过程发生在光纤以外的环节，光纤本身特性不变，光纤只起传光作用，属于传光型；内调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型。

实现光强度调制的反射机制：两根光纤并排放置，一根是发送光纤，一根是接收光纤，在光纤端而前放置反射体，当反射体距光纤端面距离发生变化时，接收光纤收到的光功率发生变化，构成了反射型光强调制装置。

由此可探测反射体的位移变化，从而检测出引起反射体位置变化的因素量。

3．反射式强度外调制光纤传感器位移测量原理。

反射式光纤位移传感器如图5-2所示。

光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并成光纤束探头（半圆型、同心圆型或随机分布型）；另一端分为两束，分别作为光源光纤和接收光纤，只起传输信号的作用。

当光发射器发生的红外光（为非相干光）经光源光纤照射至反射体，被反射的一部分光经接收光纤入射光探测元件进行光电转换，然后经光电变换电路输出稳定的电信号。

接收光纤接收的光强主要决定于反射体距探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。

分析如下：见图5-3所示，设光纤的折射率剖面为阶跃型，光纤数值孔径光线探头中的输入光纤（光源光纤）与输出光纤（接收光纤）间距为d（ 微米数量级）光纤直径为2r，探头端面与反射体之距为x。

如输出光纤接收的光强等效于输入光纤像发出的光强，则输出光纤端面位于输入光纤的像光纤发出的光锥底面之外，没有光反射到输出光纤中输出光纤端面完全位于输入光纤的像光纤发出的光锥底面内，反射到输出光纤中的光强达到最大值。

由于受光面积是反射体与光纤探头间距x的函数，因此经由光电变换器产生的电信号也是x的单值函数，并在一定范围内呈近似线性关系。

当光纤探头紧贴反射片（体）时，输入光纤发出的光无法被输出光纤接受，此时无光电流。

当反射片远离光纤探头时，输入光纤照亮反射片的面积将逐渐增大，相应地，输出光纤端面上被照亮的面积也逐渐增大，即接收的光通量随之增多，因而产生一个近似线性的输出信号。

图5-4是光纤传感器的位移——输出电压关系曲线。

图中O~a段（前沿）线性度好，灵敏度高，是光纤位移传感器的正常工作范围，当位移x继续加大至曲线a~b段（后沿）输出电压反而迅速下降，线性被破坏。

[实验单元]Y型多膜玻璃光纤，光电变换器，直流稳压源，数字电压/频率表，示波器，支架，反射片，测微头，低频振荡器，激振电路I。

[注意事项]1．光电变换器工作时V0最大输出电压以2V左右为好，可通过调节增益电位器来控制。

2．实验时请保持反射镜片的洁净及与光纤端面的平行度。

3．工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。

4．注意背景光对实验的影响。

5．光纤勿成锐角曲折。

[实验附录]光纤的简单结构和分类。

（1）结构见图5-6，光纤包括纤芯、包层和涂敷层，是一多层介质构成的对称圆柱体。

纤芯直径约为5~75微米。

纤芯外面有包层，包层有一层、二层、（内、外包层）或多层，（称为多层结构）但总直径在100~200微米上下。

纤芯的折射率略高于包层的折射率。

两者细微的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。

包层外面还要涂涂料，作用是增加光纤机械强度，保护光纤不受外来的损害。

光纤的最外层是外套，这是一种塑料管，起保护作用。

不同颜色的塑料管可用以区别各种光纤。

许多光纤绕在一起组成光缆，光缆里光纤数量的多少视需要而定。

光纤的结构一般用折射率沿径向的分布函数来表征，这种分布函数称为光纤的折射率剖面（或断面）。

为了简略地表示出光纤的剖面特征，（对于单包层光纤）引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数，其定义为lg i 普通光纤的折射率分布一般有两种：一种是光纤材料的折射率为均匀阶跃的，称为阶跃型，见图 5-7（a ）所示，n 0 为 纤芯折射率， n 1为包层折射率，n 0 > n 1 ；另一种是纤芯材料折射率沿光纤径向递减，称为梯度型或渐变型，见图 5-7（b ）所示。

（2）分类光纤传输的光波，可分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。

后者在纤 芯和包层的界面上会产生反射；当它在横切向往返一次的相位变化为 的整数倍时，将形 成驻波。

形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，即某种光纤只能传输特定模数的光。

按传输模分。

单模光纤；纤芯直径仅几个微米，加包层和涂敷层也仅几十微米到 125 微米。

纤芯直径接近波长。

其折射率差小到百分之零点几。

多模光纤：纤芯直径有 50 ⎧ m ，加 包层和涂敷层有 150 ⎧ m ，纤芯直径远大于波长。

多模光纤传输的模数多，其折射率差 n ⊗ =0.01~0.02。

根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为单模阶跃型光纤，多模阶跃型光纤 和多模梯度型光纤。

除此之外，光纤还按其制作材料、制作方法、用途等方法来分类。

2、光纤的基本特性。

信号通过光纤时光纤的损耗和色散是光纤传输的主要特性。

（1）损耗设光纤入射端与出射端的光功率分别为 P i 和 P 0 ，光纤长度为 L （km ），则光纤的损耗〈 (db / km )可用下式计算：〈 = 10 L P P 0（5-3） 它是表征光纤传输特性的一个重要参数。

引起光纤损耗的因素为吸收损耗和散射损耗。

物质的吸收作用将使传输的光能变成热 能，造成光功率的损失。

光纤对于不同波长的吸收率是不同的。

散射损耗是由光纤的材料及 其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。

光纤弯曲使其边界条件发生变化，以致光在光纤中 无法进行全近射传输也会造成散射损耗。

二十一世纪七十年代后期，在长波区域，光纤损耗已降低到 0.2db/km ，该值已接近光纤 损耗的理论极限。

（2）色散输入脉冲在光纤传输过程中由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象称为光纤的 色散。

它会使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。

它是影响光纤信息容 量的重要参量。

-光纤色散有三种：材料色散，结构色散，多模色散。

多模色散对阶跃型多模光纤的影响较大，材料色散和结构色散对单模光纤的影响较大。

3．光纤、光源、探测元件型号、规格。

光纤：多模玻璃光纤，芯径为50 m，数值孔径NA=0.63。

光源：半导体面发光二极管，（LED）发出红外光。

探测元件：光敏三极管3DU。

4．半导体发光二极管简介。

如图5-8，在P-N结上加一正向电压，此时P-N结势垒高度下降，耗尽层变薄，则从正极的P区向P-N结区注入带正电荷的粒子-空穴，而从负极的N区向P-N结区注入带负电荷的电子，两者在P-N结附近相遇而结合-复合，把所具有的能量以光子的形式释放出来，因此发光二极管是把电能转为光能的转换器。

根据所用材料禁带宽度的不同，发光管发出不同颜色的光，目前有发出红外、红、橙、黄、绿、蓝等不同颜色的二极管。

发光二极管的特点是体积小、工作电流小、工作电压低、抗震、耐冲击、寿命长。

发光二极管是电流控制器件，最大工作电流不能超过极限，要有限流措施。

发光二极管的驱动电流应工作在电光特性的线性区，使发出的光功率和驱动电流成正比变化。

调制信号的频率要和发光二极管的响应时间匹配，调制频率最高为几十兆赫。