光纤位移压力传感特性的研究实验报告.docx

光纤位移/压力传感特性的研究摘要：本实验主要研究LED光源的I-P特性，光纤纤端光场的径向分布，光纤纤端光场的轴向分布，反射式光纤位移传感，以及微弯式光纤位移传感的特性。关键词：光纤 I-P特性 光场分布 位移传感引言：近年来，光纤传输由于其宽频带，低消耗，重量轻，抗干扰能力强，保真度高等优点而被广泛应用于医学，装饰，汽车，船舶等诸多领域。本实验采用控制变量的方法，定量研究光纤纤端光场的径向、轴向分布，以及反射式、微弯式光纤的位移传感特性，从而让学生更好地掌握光纤的传输特性和应用方式。实验原理 原理1、 透射调制对于多模光纤，光纤端出射光场的场强分布由下式决定式中，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，为与光源种类、光源跟光纤耦合情况有关的调制参数，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式中，为接受光面，即纤芯面。在光纤端出射光场的远场区，为简便计，可将接收光纤端面中心点处的光强作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接受光纤终端所探测到的光强公式为透射调制时，通常入射光纤面不动，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。其原理如下图当固定时，得到的是横向位移 传感特性函数。而当取定值时，则可得到纵向位移传感特性函数。下图为理论曲线2、 反射调制反射调制原理图如下如图所示的反射调制系统中，接收光纤等效坐标位置为。其中，为发送光纤轴心到反射接收光纤轴心间的距离，将其代入上式，并乘以反射率R 有该函数的曲线形状如下图所示3、 微弯调制微弯损耗调制器的原理如下图所示如果预定引起耦合的两个模的传播常数分别为和，那么所需求的值是式中，为波纹周期。这是因为只有满足这种关系，相位失配才为零，模间藕合达到最佳。因此，波纹的最佳周期决定于光纤的模式特性。变形器的位移改变了弯曲处的模振幅，从而产生强度调制。调制系数可写成式中，为光纤的传播系数，为变形器的位移，为压力。 仪器如图为光纤传感实验仪器主机LED光源输出插座； PIN光探测器输入插座； AUTO自动步进键； PRO编程控制键； UP、DOWN配合 PRO 设定输出电流上下限； SET设置键； UL、DL、mA、mV、V仪器显示状态指示灯。如图为实验所用光纤组件如图为光纤传感实验仪器示意图实验内容1、测定 LED 光源的I-P 特性曲线（调节电流，每隔2.5mA记录一次电压输出值）。2、测定光纤纤端光场径向分布。要求两光纤探头的间距设定为0.5mm 和1.0mm，分别测定光纤纤端光场径向分布，在同一坐标纸上做出两条实验曲线。3、测定光纤纤端光场轴向分布（在坐标纸上作理论曲线和实验曲线）。4、 测量反射式位移传感器的调制特性曲线。5、微位移测量及微弯特性研究。实验结果及分析 LED光源的I-P特性曲线上图为LED光源的I-U曲线，可观察到U随I变化基本成线性，即U、I成正比。上图为LED光源的I-P曲线。 光纤纤端光场的径向分布如上图，U1为z=0.5mm时光纤纤端光场随r的分布曲线；U2为z=1.0mm时光纤纤端光场随r的分布曲线。分析1：z=0.5mm与z=1.0mm相比，前者达到的U的峰值更大，接近的U的最小值也更小，说明z=0.5mm时光纤纤端光场随r的变化更为剧烈，即两光纤探头间距离越小，光纤纤端光场随r的变化越剧烈。分析2：z=0.5mm与z=1.0mm相比，U达到峰值所取的r值相同（r=4.4mm），说明峰值的出现由r控制，与z无关。分析3：图中两曲线峰值左侧较峰值右侧的变化均更为平缓，可能是仪器本身的特点所致。 光纤纤端光场的轴向分布上图为r=4.4mm（U取峰值时的r值）时光纤纤端光场的轴向分布曲线。由图可以看出，在z取较大或较小值时U随z的变化较缓慢，在z取值适中（1.5-4）时，U随z变化较剧烈，且基本成线性关系。 反射式位移传感器上图为反射式位移传感器的调制特性曲线（U随z变化曲线）。峰值出现在z=1.6mm位置，峰值左侧曲线变化较剧烈，右侧较平缓。 微弯特性研究上图为光纤微弯特性研究曲线（U随x变化曲线）。分析1：在x取值适中（11-12）时，U随x变化剧烈，且基本呈线性，x过大或过小是U随x变化缓慢。分析2：实际测量时，x取某一固定值，仪器显示U却不断变化，导致测量不准，这是有机物制成的光纤常有的漏光现象所致。测量时尽量在x调好后的第一时间读数，且使整个测量时间尽量短，以增加测量的准确性。结论1、本实验为探究性实验，实验所得关于光纤位移/压力特性的结论均体现在以上实验所得测量曲线和结果分析中。2、实验所得测量曲线经验证均与实验原理中理论曲线有较好的近似效果，证明实验仪器基本正常，实验步骤基本正确，实验结果真实可靠。参考文献1、基础物理实验 实验5.20 光纤位移/压力传感特性的研究2、张志鹏、W.A.Gambling，光纤传感器原理，中国计量出版，1991， 第五章、第九章3、Yuan Libo and Anping Qiu,Fiber-optic diaphragm pressure sensor withautomaticintensitycompensation,Sensor and Actuators,A28(1)29-33,19914、Yuan Libo etal.,Analysis of the compensation mechanism of a fiber-optic displacementsensor, Sensor and Actuators,A36(1),177-182,19931. 5、光纤位移压力传感特性的研究:8080/info/school1/fibreweiyi.pdfAbstract：In this experiment, we studied the I-P characteristics of the LED ill