光纤压力位移传感器特性研究.doc

光纤压力/位移传感器特性的研究武汉大学，物理科学与技术学院，物理学类梁世勇 2011301020084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，I-P特性The study of characteristics of fibre-optical in tension and displacement transducerShiyong Liang (2011301020084), School of Physics and Technology, Wuhan UniversityAbstract: In this experiment,we 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: fiber-optical, distribution of optical field, displacement, I-P properties引言：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。1 实验原理1.1 LED光源I-P特性实验原理 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前比较常用的光源主要有半导体激光二极管和发光二极管。发光二极管简称LED(Light Emitting Diode)。发光二极管的结构及发光机理 发光二极管发射的是自发辐射光。发光二极管LED 的结构大多是采用双异质结（DH ）芯片，把有源层夹在P 型和N 型限制层中间。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，。和正面发光型LED 相比，侧面发光型LED 驱动电流较大输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合率较高，因而入纤光功率比正面发光型大它的输出光功率（P ）随着驱动电流（I）的变化而变化。测量L光源的 IP 特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。1.2 光纤纤端光场径向，轴向分布实验原理 按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布。叠加后的光纤纤端光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。另外沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面 上，形成圆孔衍射。实际情况接近于两者的某种混合。为分析方便起见，作以下假设：光纤端面：光场是由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的。出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间中传输的准高斯光束 叠加而成。在以上假设下可推导出理论公式(1)式（1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠加的结果。 纤端光场既不是纯粹的高斯光束，也不是纯粹的均匀分布的几何光束，为了更好地与实际情况符合，我们综合这两种近似情况，并引入无量纲调合参数，可以给出如下结果实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取=2-1/2；对于突变折射率分布的光纤通常取=1，对于芯径较粗的多模光纤而言，衍射效应基本上被平均化了，即取p 0,q 1。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便，式（1）通常取如下形式。 1.3反射式光纤位移传感实验原理 采用的光纤传感器的原理如图4 所示。光纤探头A 由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接受反射镜反射的光，R是反射镜。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区（见图5）。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。 就外部调制非功能型光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给式中I为由光源耦合入发送光纤中的光强；(r, x) 为纤端光场中位置(r,x) 处的光通量密度；为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，=1：a为光纤芯半径；为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。 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这里，S为接收光面，即纤芯端面.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如图 4 所示的光纤传感探头，当光纤传感器固定时，反射器可在光纤探头前作垂直于探方向的移动。设反射面到探头的间距分别为 x ,则如图4（b ）所示，光纤探头的调制函数为对于本系统设计采用的多模光纤，1 ，光纤芯半径a001. mm ，两光纤间距 r 0.34mm ，综合调制参数 0.026 。其归一化理论曲线如图5 所示。1.4 微弯式光纤位移传感器实验原理 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，我们把光纤夹持在一个周期波长为的梳妆结构中。当梳妆结构（变形器）受力时，光纤的弯曲情况将发生变化，于是纤芯中跑到包层中的光能（即损耗）也将发生变化。近似的把光纤看成是正弦弯曲，其弯曲函数为 式中 L 是光纤产生微弯的区域， 2 是其弯曲频率，为其弯曲波长。光纤由于弯曲产生的光能损耗系数是式中 称为谐振频率。 为谐振波长，和为纤芯中两个模式的传播常数，当=c 时，这两个模式的光功率耦合特别紧，因而损耗也增大。如果我们选择相邻的两个模式，对光纤折射率为平方律分布的多模光纤可得 r 为光纤半径，?为纤芯与包层之间的相对折射率差。由（3）和(4)可得 对通讯光纤r =25m ，（2 ）式表明损耗与弯曲幅度的平方成正比，与微弯区的长度成正比。通常，我们让光纤通过周期为的梳状结构来产生微弯。按（5）式得到的一般太小，实用上可取奇数倍，即 3、5、7等，同样可得到较高灵敏度。 2 实验仪器介绍 光纤传感实验仪是在光纤传感领域中的光纤透射技术，反射技术及微弯损耗技术等基本原理的基础上开发而成的，由光纤传感实验仪主机，LED光源、发射光纤，PIN光电探测器、接收光纤、三维微位移调节器、反射器。微弯变形器等组成的实验系统。如图I所示。光纤传感实验仪包括四部分：1 光纤传感实验仪主机。其功能是：为LED光源提供驱动电流；完成光电转换及放大作用，并输出电信号。2 三组光纤及探头：反射式发射光纤及探测接收光纤； 透射式探测接收光纤；微弯式发射一接收光纤。3 三维微位移调节器。用以固定光纤探头，实现微位移定量调节（精度为0.01mm）。 4 反射器和微弯变形器，配在三维微位移调节器上。3 实验内容3.1 测定LED光源的I-P特性曲线(1)将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动调节架上，并使光纤探头间距调到约1mm左右。(2)接通电源，将LED驱动电流调到合适电流（如40mV)。(3)调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准；(4)将驱动电流调节为0mA,记录输出电压，逐渐增加驱动电流，每隔2.5mA记录一次输出电压值。3.2 光纤纤端光场径向分布实验内容(1)将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动调节架上，并使两光纤探头间距调到约 1mm 左右； (2)接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流（40mA ）； (3)调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准； (4)调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋0.5mm（两光纤探头的间距）停止； (5)沿某一方向旋转横向微动调节架，直至输出电压为零，再向相反的方向旋转一点，记录螺旋测微器的读数，继续向该方向旋转，每转过0.05mm记录电压输出值，直至电压再次变为零； (6)将两光纤探头的间距调到 1.0mm，重复步骤5。3.3 光纤纤端光场轴向分布实验内容(1)将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动调节架上，并使两光纤探头间距调到约 1mm 左右； (2)接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流（40mA ）； (3)调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准； (4)调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，每转过0.1mm记录电压输出值，直至输出电压变为零。 3.4 反射式光纤位移传感器实验内容(1)将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上，对准反射器并使光纤探头与反射镜间距调到约 0.1mm 左右； (2)接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流(40mA)； (3)调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后停止；(4)沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节0.5mm 并记录螺旋微器的读数和电压输出值，直至电压输出值达到最小值； (5)在坐标纸上作出一条曲线。 3.5 微弯式光纤位移传感器实验内容(1)将光源光纤卡在纵向微动调节架上，将探测光纤卡在横向微动调节架上，并使两光纤探头间距调到约 1mm 左右； (2)接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流（40mA ）； (3)调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准； (4)调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，每转过0.1mm记录电压输出值。直至光纤弯曲到一定程度后停止实验（防止压断光纤）。 4 实验数据处理与分析4.1 测定LED光源的I-P特性曲线 由于实验过程中直接测量的值是电压输出值U，而不是功率P。在这里，我们用电压U来度量功率P。所以，我们实际画的是LED光源IU特性曲线。LED光源IU特性曲线如下：由LED光源IU特性曲线图可以看出，在驱动电流较低时（30mA以下），IU基本程线性关系，驱动电流较高时（30mA以上），IU程非线性关系。4.2 光纤纤端光场径向分布 LED驱动电流设为40mA，两光纤探头距离z分别为0.5mm和1mm.将两组实验数据画在同一个图中对比可得： 由上图可看出，光纤纤端光场径向分布基本程高斯分布，且随两光纤探头距离的增大，输出电压峰值减小，而峰值出现的位置基本不变。4.3 光纤纤端光场轴向分布光纤纤端光场公布图如下图所示： 由光纤纤端光场公布图可看出，光强随着光纤接收探头到发射探头的距离增加而递减。当距离不是很大时，光强随距离近似的线性变化。4.4 反射式光纤位移传感器设定LED光源驱动电流为40mA.实验测得反射式光纤位移传感器特性曲线图如下图：理论曲线实验曲线通过对比可知，实验曲线与理论曲线的变化趋势基本一致。4.5 微弯式光纤位移传感器光纤弯曲特性曲线如下图：图中x的值越小说明光纤弯曲得越厉害，其中x达到最大时表示光纤没有弯曲。由图中曲线可知，光纤越弯曲，光损耗越大。总结： 实验中，我们通过五个实验，采集了大量数据，作出了LED光源IU特性曲线，光纤纤端光场径向公布曲线，光纤纤端光场轴向分布曲线，反射式光纤位移传感特性曲线，光