實驗五光纖傳感器位移測量

1、實驗五 光纖傳感器位移測量一、目的1 熟悉反射式強度外調制光纖位移傳感器的工作原理。2 掌握光纖位移傳感器測量位移的方法。二、實驗設備  光纖(光電轉換器、光纖光電傳感器實驗模塊、電壓表、示波器、螺旋微儀、反射鏡片三、實驗原理1 光纖導光的基本原理。光是一種電磁波，一般采用波動理論來分析導光的基本原理。然而根據(jù)光學理論：當所研究對象的幾何尺寸（指光纖的芯徑）遠大于所用光波的波長，而光波又處在折射率變化緩慢的空間時可用“光線”即幾何光學這一直觀又容易理解的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象。根據(jù)折射定律：光由光密媒質n0 射向光疏媒質n1 時，折射角大于入射角，當入射角增至某一臨界角c 時，出射

2、光線沿兩媒質的分界面?zhèn)鞑?，當入射角繼續(xù)增大，0 >c時，入射光線將不能穿過分界面而被完全反射回光密媒質中，這就是全反射。光纖是由折射率較高（光密介質）的纖芯和折射率較低（光疏介質）的包層構成的雙層同心圓柱結構。能在光纖中傳輸?shù)墓饩€是滿足全反射條件的子午光線（過光纖的軸心線，傳播路徑始終在一個平面內。 ）和斜光線（不經過光纖軸心，不在一個平面內，它是一空間曲線）這兩種光線稱為受導光線。在此只簡要說明子午光線入射光纖的情況。當光線與光纖光軸成角入射時，在纖芯內部將以0入射到纖芯的側壁。由于0>c 和 n0> n1 ，則光在側壁上產生連續(xù)向前的全反射，光在纖芯內成“之”字形傳導，直

3、至由終端射出。如果入射角 過大致使0 角不能滿足全反射的臨界要求，即0< c，光線會穿過纖芯的側壁而逸出，產生漏光。因此，最大入射角 不能超過下式所要求的值式中，n 為光纖所在環(huán)境的折射率（若為空氣，則 n=1），n sin 定義為數(shù)值孔徑，記作 NA，它是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示，無論光源發(fā)射功率多大，只有2張角內的光才能被光纖接收、傳播（全反射），NA愈大，光纖的集光能力愈強。2光纖中光波的調制和相關的反射機制。通過光纖傳感器的敏感頭（或傳感臂）與外界待測對象相互作用，將待測量的信號傳遞到光纖內的導光波中，或信息加載于光波之上，這個過程稱為光纖中光波的調制，簡稱光調制。外界

4、待測量可能引起光的強度、波長（顏色）、頻率、相位和偏振態(tài)等性質發(fā)生變化，從而構成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)調制原理。利用外界因素改變光纖中光的強度，通過測量光強的變化來測量外界物理量的原理稱為光強度調制。（光電探測器只能探測光的強度。）光強度調制分為外調制和內調制兩種形式。外調制的調制過程發(fā)生在光纖以外的環(huán)節(jié)，光纖本身特性不變，光纖只起傳光作用，屬于傳光型；內調制過程發(fā)生在光纖內部，是通過光纖本身特性的改變來實現(xiàn)光強度的調制，屬于功能型。實現(xiàn)光強度調制的反射機制：兩根光纖并排放置，一根是發(fā)送光纖，一根是接收光纖，在光纖端而前放置反射體，當反射體距光纖端面距離發(fā)生變化時，接收光纖收到的光功率

5、發(fā)生變化，構成了反射型光強調制裝置。由此可探測反射體的位移變化，從而檢測出引起反射體位置變化的因素量。3反射式強度外調制光纖傳感器位移測量原理。反射式光纖位移傳感器如圖 5-2 所示。光纖采用 Y 型結構，兩束光纖一端合并成光纖束探頭（半圓型、同心圓型或隨機分布型）；另一端分為兩束，分別作為光源光纖和接收光纖，只起傳輸信號的作用。當光發(fā)射器發(fā)生的紅外光（為非相干光）經光源光纖照射至反射體，被反射的一部分光經接收光纖入射光探測元件進行光電轉換，然后經光電變換電路輸出穩(wěn)定的電信號。接收光纖接收的光強主要決定于反射體距探頭的距離，通過對光強的檢測而得到位移量。分析如下：見圖 5-3 所示，設光纖的折

6、射率剖面為階躍型，光纖數(shù)值孔徑光線探頭中的輸入光纖（光源光纖）與輸出光纖（接收光纖）間距為d（ 微米數(shù)量級）光纖直徑為 2r，探頭端面與反射體之距為 x。如輸出光纖接收的光強等效于輸入光纖像發(fā)出的光強，則輸出光纖端面位于輸入光纖的像光纖發(fā)出的光錐底面之外，沒有光反射到輸出光纖中輸出光纖端面完全位于輸入光纖的像光纖發(fā)出的光錐底面內，反射到輸出光纖中的光強達到最大值。由于受光面積是反射體與光纖探頭間距 x 的函數(shù)，因此經由光電變換器產生的電信號也是 x 的單值函數(shù)，并在一定范圍內呈近似線性關系。當光纖探頭緊貼反射片（體）時，輸入光纖發(fā)出的光無法被輸出光纖接受，此時無光電流。當反射片遠離光纖探頭時，

7、輸入光纖照亮反射片的面積將逐漸增大，相應地，輸出光纖端面上被照亮的面積也逐漸增大，即接收的光通量隨之增多，因而產生一個近似線性的輸出信號。圖 5-4 是光纖傳感器的位移輸出電壓關系曲線。圖中 Oa 段（前沿）線性度好，靈敏度高，是光纖位移傳感器的正常工作范圍，當位移 x 繼續(xù)加大至曲線 ab 段（后沿）輸出電壓反而迅速下降，線性被破壞。實驗單元Y 型多膜玻璃光纖，光電變換器，直流穩(wěn)壓源，數(shù)字電壓/頻率表，示波器，支架，反射片，測微頭，低頻振蕩器，激振電路 I。注意事項1光電變換器工作時V0 最大輸出電壓以 2V 左右為好，可通過調節(jié)增益電位器來控制。2實驗時請保持反射鏡片的潔凈及與光纖端面的平

8、行度。3工作時光纖端面不宜長時間直照強光，以免內部電路受損。4注意背景光對實驗的影響。5光纖勿成銳角曲折。實驗附錄光纖的簡單結構和分類。（1）結構見圖 5-6，光纖包括纖芯、包層和涂敷層，是一多層介質構成的對稱圓柱體。纖芯直徑約為 575微米。纖芯外面有包層，包層有一層、二層、（內、外包層）或多層，（稱為多層結構）但總直徑在 100200微米上下。纖芯的折射率略高于包層的折射率。兩者細微的區(qū)別，保證光主要限制在纖芯里進行傳輸。包層外面還要涂涂料，作用是增加光纖機械強度，保護光纖不受外來的損害。光纖的最外層是外套，這是一種塑料管，起保護作用。不同顏色的塑料管可用以區(qū)別各種光纖。許多光纖繞在一起組

9、成光纜，光纜里光纖數(shù)量的多少視需要而定。光纖的結構一般用折射率沿徑向的分布函數(shù)來表征，這種分布函數(shù)稱為光纖的折射率剖面（或斷面）。為了簡略地表示出光纖的剖面特征，（對于單包層光纖）引入纖芯包層相對折射率差作為剖面參數(shù)，其定義為普通光纖的折射率分布一般有兩種：一種是光纖材料的折射率為均勻階躍的，稱為階躍型，見圖 5-7（a）所示， n0 為纖芯折射率， n1為包層折射率， n0 > n1 ；另一種是纖芯材料折射率沿光纖徑向遞減，稱為梯度型或漸變型，見圖 5-7（b）所示。（2）分類光纖傳輸?shù)墓獠?，可分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者在纖芯和包層的界面上會產生反射；當它在

10、橫切向往返一次的相位變化為 的整數(shù)倍時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。按傳輸模分。單模光纖；纖芯直徑僅幾個微米，加包層和涂敷層也僅幾十微米到 125 微米。纖芯直徑接近波長。其折射率差小到百分之零點幾。多模光纖：纖芯直徑有 50 ì m，加包層和涂敷層有 150 ì m，纖芯直徑遠大于波長。多模光纖傳輸?shù)哪?shù)多，其折射率差nÄ =0.010.02。根據(jù)光纖的折射率沿徑向分布函數(shù)不同又進一步分為單模階躍型光纖，多模階躍型光纖和多模梯度型光纖。除此之外，光纖還按其制作材料、制作方法、用途等方法來分類。2、光纖的基本

11、特性。信號通過光纖時光纖的損耗和色散是光纖傳輸?shù)闹饕匦浴＃?）損耗設光纖入射端與出射端的光功率分別為 Pi 和 P0 ，光纖長度為 L（km），則光纖的損耗á (db / km)可用下式計算：á =10LPP0（5-3）它是表征光纖傳輸特性的一個重要參數(shù)。引起光纖損耗的因素為吸收損耗和散射損耗。物質的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光功率的損失。光纖對于不同波長的吸收率是不同的。散射損耗是由光纖的材料及其不均勻性或其幾何尺寸的缺陷引起的。光纖彎曲使其邊界條件發(fā)生變化，以致光在光纖中無法進行全近射傳輸也會造成散射損耗。二十一世紀七十年代后期，在長波區(qū)域，光纖損耗已降低到

12、 0.2db/km，該值已接近光纖損耗的理論極限。（2）色散輸入脈沖在光纖傳輸過程中由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象稱為光纖的色散。它會使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬。它是影響光纖信息容量的重要參量。-lg i光纖色散有三種：材料色散，結構色散，多模色散。多模色散對階躍型多模光纖的影響較大，材料色散和結構色散對單模光纖的影響較大。3光纖、光源、探測元件型號、規(guī)格。光纖：多模玻璃光纖，芯徑為 50 ì m，數(shù)值孔徑 NA=0.63。光源：半導體面發(fā)光二極管，（LED）發(fā)出紅外光。探測元件：光敏三極管 3DU。4半導體發(fā)光二極管簡介。如圖 5-8，在 P-N 結上加一正向電壓，此時 P-N結勢壘高度下降，耗盡層變薄，則從正極的 P 區(qū)向P-N 結區(qū)注入帶正電荷的粒子-空穴，而從負極的 N 區(qū)向 P-N 結區(qū)注入帶負電荷的電子，兩者在 P-N 結附近相遇而結合-復合，把所具有的能量以光子的形式釋放出來，因此發(fā)光二極管是把電能轉為光能的轉換器。