光纤压力及位移传感器特性地地研究.docx

光纤压力及位移传感器特性的研究 nickirk 【摘要】本实验是旨在测试LED光源I-P特性，光纤纤端光场径向分布，光纤纤端光场轴向分布，反射式光纤位移传感，微弯式光纤位移传感的实验。 【关键词】光纤，光场分布，位移，反射式，I-P特性 Abstract: In this experiment, weve studied the I-P characteristics of the LED illuminant, the distribution of the light field along the axial and radial direction at the end of the optical fiber, and we have also studied the properties of the optical fiber when it is slightly bended. Keywords: optical fiber, distribution of light field, displacement, I-P properties. 引言 1966年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。[1] 至今，光纤技术已经得到长足的发展和应用。光纤有许多独特的优良性能，如：可以低损耗的传光特性；频带宽，能同时传输大量信息；电绝缘性能好；不受电磁干扰等。此外，光纤本身也是一个敏感元件，即光在光纤出射事，光的特性得到光纤的调制，通过对调制光的检测，我们就能得到外界的信息，从而构成各种光纤传感器。 光在光纤内部传输过程中，受到外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用，导致光波的振幅、相位、偏振态等发生变化。因此，我们只需要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用光纤作为传感元件来探测如温度，压力，磁场等物理量。这就是光纤传感器的工作原理。 实验原理 本实验所用的光纤传感实验仪采用了强度型光纤传感的方式，这里分别讨论透射调制、反射调制和微弯调制的基本传感原理，并在纤端光场分布函数的基础上，建立相应的理论分析方法。 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： 式中为由光源耦合进入发送光纤中的光强；为纤端光场中位置处的光通量密度；为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃光纤； 为光纤芯半径，ζ 为与光源种类及光源跟光纤糯合情况有关的调制参数；θc 为光纤的最大出射角。 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： 式中 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： 1，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图2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来描写，其光场分布坐标如图所示。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给出。 当z固定时，得到的是横向位移传感特性函数。而当r取定值时(如r=0)，则可得到纵向位移传感特性函数，如图2所示。 2．反射调制方式 由于反射调制式光纤传感器具有准确、简单、价格低廉等优点，对于传感器的广泛应用特具魅力。这种传感器通常由两根光纤组成，一根光纤把光传送到反射体，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，如图3所示。 双纤式是最基本的反射调制方法，其坐标分析系统如图3 所示。在分析过程中，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。 图3所示的反射调制系统中，其接收光纤等效坐标位置为。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 3．微弯调制方式 微弯损耗是由光纤的空间状态变化，导致光纤中的模间藕合所引起的。利用光纤传感实验仪所提供的微弯损耗调制器来产生一种受控损耗，可以精确地把光纤输出信号与引起光纤微弯器件的位移联系起来。 微弯型光纤传感器的原理结构如图 4 所示。当光纤发生弯曲时，由于其全反射条件被破坏，纤芯中传播的某些模式光束进入包层，造成纤芯中的光能损耗。为了扩大这种效应，我们把