光纖端面光場(chǎng)分布測(cè)量與反射式光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一光纖纖端光場(chǎng)分布的測(cè)試隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，派生出了光纖傳感技術(shù)，并且取得了快速的發(fā)展， 光纖傳感器已經(jīng)在民用工程、航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。就外部 調(diào)制型光纖傳感器而言，如反射接收型、直接入射型和光閘型等，一般由入射光 源光纖、調(diào)制器件以及接收光纖組成。其中接收光纖所收集到的光強(qiáng)隨外界物理 擾動(dòng)而變化，其光強(qiáng)響應(yīng)特性曲線(xiàn)是這類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)，大多與光纖出射的光場(chǎng)相關(guān)。因此，光纖出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)于這類(lèi)傳感器的分析和設(shè)計(jì)至關(guān)重 要，光纖纖端光場(chǎng)的分布是反射式光纖傳感實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。通過(guò)纖端光場(chǎng)分布的測(cè) 量可以給使用者以直觀(guān)的印象，并且對(duì)光纖傳光特性有一定的定性和定量的掌 握

2、；同時(shí)，它的測(cè)量涉及到光纖傳感器的設(shè)計(jì)、使用方法等基本問(wèn)題，具有重要 意義。一、預(yù)習(xí)重點(diǎn)（1）光纖無(wú)源器件的結(jié)構(gòu)組成與操作；（2）光纖的傳光特性、光纖傳輸?shù)哪Ｊ嚼碚?。二、光纖纖端光場(chǎng)徑向分布和軸向分布的測(cè)試（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私狻肮饫w傳感實(shí)驗(yàn)儀”的基本構(gòu)造和原理，熟悉其各個(gè)部件、學(xué)習(xí)和 掌握其正確使用方法；定性了解光纖纖端光場(chǎng)的分布，掌握其測(cè)量方法、步驟及計(jì)算方法；測(cè)量一種光纖的纖端光場(chǎng)分布，繪出纖端光場(chǎng)分布圖。（二）實(shí)驗(yàn)儀器光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)（如圖1所示）、接收光纖（如圖2所示）、發(fā)射光纖（如圖 3所示）、準(zhǔn)三維調(diào)節(jié)架（如圖4所示）。 iLED 光源輸出插座；PIN 光探測(cè)器輸入插座；AUTO

3、自動(dòng)步進(jìn)鍵；PRO編程控制鍵；UP、DOWN 配合PRO設(shè)定輸出電流上下限；SET 設(shè)置鍵；UL、DL、mA、mV、pW 儀器顯示狀態(tài)指示燈圖2反射接收光纖組件PIN黑色透射接收光纖圖3發(fā)射接收光纖組件圖4二維調(diào)整架（三）實(shí)驗(yàn)原理 按照光纖傳輸?shù)哪Ｊ嚼碚?，在光纖中光功率按模式分布。疊加后的光纖纖端 光場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)沿徑向分布可近似由高斯型函數(shù)描寫(xiě)，稱(chēng)其為準(zhǔn)高斯分布。另外沿光纖傳輸?shù)墓饪梢越瓶醋髌矫娌?，此平面波在纖端出射時(shí)，可等價(jià)為平面波場(chǎng)垂直 入射到步透明屏的圓孔表明上，形成圓孔衍射，實(shí)際情況接近于兩者的某種混合。 為方便分析起見(jiàn)，作以下兩點(diǎn)假設(shè)：光纖端面：光場(chǎng)是由光強(qiáng)沿軸向均勻分布的平面波和光強(qiáng)沿

4、徑向?yàn)楦咚?分布的高斯光束兩部分構(gòu)成的；出射光場(chǎng)：纖端出射光場(chǎng)由準(zhǔn)平面波場(chǎng)的圓孔衍射和在自由空間中傳輸 的準(zhǔn)高斯光束疊加而成。在以上假設(shè)下可推導(dǎo)出理論公式：l(r, z=l*p2 2 一22Woq 2224 e)p22 44z k w0 L 4z k w02k* 1 2 3 4 5w；r2(1)上式表明，纖端出射光場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布是由不同權(quán)重下的高斯分布和平面波場(chǎng)的圓孔 衍射分布疊加的結(jié)果纖端光場(chǎng)既不是純粹的高斯光束，也不是純粹的均勻分布的幾何光束， 為了 更好地與實(shí)際情況符合，在此綜合這兩種近似情況，并引入無(wú)量綱調(diào)合參數(shù) g 可以給出如下結(jié)果：實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)于漸變折射率光纖有時(shí)取尸2-1/2

5、;對(duì)于突變折射率分布的2ao光纖通常取 尸1,對(duì)于芯徑較粗的多模光纖而言，衍射效應(yīng)基本上被平均化了， 即取p-0, q-1。因而對(duì)于大芯徑多模光纖，為了使用方便，式 （1）通常取如下 形式：旋轉(zhuǎn)一點(diǎn)， 記錄螺旋測(cè)微器的讀數(shù)， 繼續(xù)向該方向旋轉(zhuǎn)， 每轉(zhuǎn)過(guò) 5 個(gè)小格記錄電 壓輸出值，直至電壓再次變?yōu)榱悖粚晒饫w探頭的間距調(diào)到1.0mm,重復(fù)步驟5;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理：在同一坐標(biāo)紙上作出兩條曲線(xiàn) （數(shù)據(jù)表格自行設(shè)計(jì) ）。*注：兩光纖探頭的間距也可自行設(shè)定,也可根據(jù)需要測(cè)出多條實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)。 還可以改變 LED 的驅(qū)動(dòng)電流,然后再作出曲線(xiàn),以獲得在不同驅(qū)動(dòng)電流下的輸 出特性?；蚋鶕?jù)需要自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

6、n測(cè)試光纖纖端光場(chǎng)的軸向分布：將光源連接到縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上,探測(cè)光纖連接到橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上,并使兩光纖探頭間距調(diào)到約1mm左右；接通電源,將 LED 驅(qū)動(dòng)電流調(diào)到指定電流 40mA；調(diào)整橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕和光纖卡具并觀(guān)察電壓輸出使之輸出最大,此時(shí) 可認(rèn)為入射光纖和出射光纖已對(duì)準(zhǔn)；調(diào)整縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架,將探測(cè)光纖推進(jìn)到與光源光纖即將接觸的位置記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù),然后將縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架向相反的方向旋轉(zhuǎn),每轉(zhuǎn)過(guò)5個(gè)小格記錄電壓輸出值,直至輸出電壓變?yōu)榱悖粚?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其處理：在坐標(biāo)紙上作出理論曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)。*注：還可以改變電流 LED 的驅(qū)動(dòng)電流,然后再作出曲線(xiàn),以獲得在不同驅(qū) 動(dòng)電流下的輸出特性。實(shí)驗(yàn)

7、二反射式光纖位移傳感的實(shí)驗(yàn)研究光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕；靈敏度高；重量輕、體積小、 外形可變；測(cè)量對(duì)象廣泛；對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響??；便于復(fù)用，便于成網(wǎng)；成本低等 特點(diǎn)，在民用工程、航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。反射式光纖位移 傳感器使一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光的作用，光纖分為輸入光 纖（發(fā)送光纖）和輸出光纖（接收光纖）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成 反射式光纖位移傳感器，可用以測(cè)量多種可轉(zhuǎn)換成位移的物理量。一、預(yù)習(xí)重點(diǎn)（1）光纖無(wú)源器件的結(jié)構(gòu)組成與操作；（2）光纖的傳光特性、光纖傳輸?shù)哪Ｊ嚼碚摗＃?）光纖傳感器的定義及其分類(lèi)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧?/p>

8、解“光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀”的基本構(gòu)造和原理，熟悉其各個(gè)部件、學(xué)習(xí)和 掌握其正確使用方法；了解一對(duì)光纖（一個(gè)發(fā)光、一個(gè)接收光）的反射接收特性曲線(xiàn)；學(xué)習(xí)掌握最簡(jiǎn)單、最基本的光纖位移傳感器的原理和使用方法。（二）實(shí)驗(yàn)儀器光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)（如實(shí)驗(yàn)一的圖1所示）、反射接收光纖（如實(shí)驗(yàn)一的圖2 所示）、準(zhǔn)三維調(diào)節(jié)架（如實(shí)驗(yàn)一的圖4所示）。（三）實(shí)驗(yàn)原理采用的光纖傳感器的原理如圖1所示。光纖探頭A由兩根光纖組成，一根 用于發(fā)射光，一根用于接收反射鏡反射的光， R是反射鏡。系統(tǒng)可工作在兩個(gè)區(qū) 域中，前沿工作區(qū)和后沿工作區(qū)（如圖2所示）。當(dāng)在后沿區(qū)域中工作時(shí)，可以獲 得較寬的動(dòng)態(tài)范圍。接收光纖等效鏡面光纖（a）光纖

9、探頭示意圖圖1光纖反射調(diào)制原理圖（b）等價(jià)光纖坐標(biāo)系統(tǒng)就外部調(diào)制非功能型光纖傳感器而言，其光強(qiáng)響應(yīng)特性曲線(xiàn)是這類(lèi)傳感器的 設(shè)計(jì)依據(jù)。該特性調(diào)制函數(shù)可借助于光纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布函數(shù)給出：r,x =J.式中，0是由光源耦合入發(fā)送光纖中的光強(qiáng)；gr, x)是纖端光場(chǎng)中位置(r, x)處的光通亮密度；c是表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù)， 對(duì)于階躍折射率光纖， 尸1; ao是光纖纖芯半徑；E是與光源種類(lèi)、光纖的數(shù)值孔徑及光源與光纖耦合情況有 關(guān)的綜合調(diào)制參數(shù)。光強(qiáng)分布200500 12345距離(mm)圖2反射式調(diào)制特性曲線(xiàn)50001 1所接收到(1)1 0dsS為接收光纖端面，即纖芯端面w2 xI

10、r, x 二S I。二 w2 xexP K)如果將同種光纖置于發(fā)送光纖纖端出射光場(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí), 的光強(qiáng)可表示為：I r, x 二 r, x ds = !ss在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為簡(jiǎn)便計(jì)算，可用接收光纖端面中心點(diǎn)處的光強(qiáng) 作為整個(gè)纖芯面上的平均光強(qiáng)，在這種近似下，得到在接收光纖終端所探測(cè)到的 光強(qiáng)公式：如圖4所示的光纖傳感頭，當(dāng)光纖傳感器固定時(shí)，反射器可在光纖探頭前作 垂直于探頭方向的移動(dòng)。設(shè)反射面到探頭的間距分別為 x，貝U如圖1(b)所示，光 纖探頭的調(diào)制函數(shù)為：Iax 二 R S J0w2 2x對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的多模光纖，尸1,光纖纖芯半徑ao= O.m m,兩光纖間距r0.

11、34mm,綜合調(diào)制參數(shù) ,0.026。其歸一化理論曲線(xiàn)如圖2所示。操作步驟和要求反射式光纖位移傳感器的調(diào)制特性曲線(xiàn)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟：將反射式光纖探頭連接到縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上,對(duì)準(zhǔn)反射器并使光纖探頭 與反射鏡間距調(diào)到約0.1mm左右；接通光源,將 LED 驅(qū)動(dòng)電流調(diào)到指定電流；調(diào)整縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架,將探測(cè)光纖推進(jìn)到與反射鏡表面即將接觸的位置 記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù),然后停止；沿某縱向向遠(yuǎn)離反射鏡的方向旋轉(zhuǎn)微動(dòng)調(diào)節(jié)架， 每次調(diào)節(jié)0.1mm并記錄 螺旋測(cè)微器的讀數(shù)和電壓輸出值,直至 5mm；在坐標(biāo)紙上作出一條曲線(xiàn)。位移傳感標(biāo)定由理論曲線(xiàn)可以看出,光纖位移傳感器可工作在兩個(gè)區(qū)域,即上升沿(前沿)和下降沿 (

12、后沿),前沿工作區(qū)的靈敏度高但動(dòng)態(tài)范圍小,而后沿工作區(qū)靈敏度低 而動(dòng)態(tài)范圍較大, 可視需要而定。 在作為光纖傳感器使用時(shí), 對(duì)傳感器要進(jìn)行標(biāo) 定。標(biāo)定方法是：根據(jù)調(diào)制特性曲線(xiàn)選擇線(xiàn)性區(qū), 然后在選好的線(xiàn)性區(qū)間內(nèi)給出 標(biāo)定曲線(xiàn)，測(cè)試步驟類(lèi)似于調(diào)制特性曲線(xiàn)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。每隔50口記錄下輸出電壓數(shù)值, 作出光纖探頭和反射鏡間距與電壓輸出的特性曲線(xiàn)。 于是, 反射鏡 與光纖探頭間的距離可由曲線(xiàn)的多項(xiàng)式擬合出來(lái)。3. 實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展將光纖傳感器取下， 自行設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)， 測(cè)量一個(gè)可以轉(zhuǎn)換成位移的其他物 理量。如長(zhǎng)度的改變、雙金屬片隨溫度的變化、膜片隨壓力的變化等。2 exptgc（四）操作步驟及其數(shù)據(jù)處理I測(cè)試光纖纖端光場(chǎng)的徑向分布：1.將光源光纖連接到縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上，探測(cè)光纖連接到橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)架 上，并使兩光纖探頭間距調(diào)到約1mm左右