实验五 光纤传感器位移测量.doc

实验五 光纤传感器位移测量一、目的1 熟悉反射式强度外调制光纤位移传感器的工作原理。2 掌握光纤位移传感器测量位移的方法。二、实验设备 光纤(光电转换器、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片三、实验原理1 光纤导光的基本原理。光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论：当所研究对象的几何尺寸（指光纤的芯径）远大于所用光波的波长，而光波又处在折射率变化缓慢的空间时可用“光线”即几何光学这一直观又容易理解的方法来分析光波的传播现象。根据折射定律：光由光密媒质n0 射向光疏媒质n1 时，折射角大于入射角，当入射角增至某一临界角c 时，出射光线沿两媒质的分界面传播，当入射角继续增大，0 c时，入射光线将不能穿过分界面而被完全反射回光密媒质中，这就是全反射。光纤是由折射率较高（光密介质）的纤芯和折射率较低（光疏介质）的包层构成的双层同心圆柱结构。能在光纤中传输的光线是满足全反射条件的子午光线（过光纤的轴心线，传播路径始终在一个平面内。 ）和斜光线（不经过光纤轴心，不在一个平面内，它是一空间曲线）这两种光线称为受导光线。在此只简要说明子午光线入射光纤的情况。当光线与光纤光轴成角入射时，在纤芯内部将以0入射到纤芯的侧壁。由于0c 和 n0 n1 ，则光在侧壁上产生连续向前的全反射，光在纤芯内成“之”字形传导，直至由终端射出。如果入射角 过大致使0 角不能满足全反射的临界要求，即0 n1 ；另一种是纤芯材料折射率沿光纤径向递减，称为梯度型或渐变型，见图 5-7（b）所示。（2）分类光纤传输的光波，可分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者在纤芯和包层的界面上会产生反射；当它在横切向往返一次的相位变化为 的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，即某种光纤只能传输特定模数的光。按传输模分。单模光纤；纤芯直径仅几个微米，加包层和涂敷层也仅几十微米到 125 微米。纤芯直径接近波长。其折射率差小到百分之零点几。多模光纤：纤芯直径有 50 m，加包层和涂敷层有 150 m，纤芯直径远大于波长。多模光纤传输的模数多，其折射率差n =0.010.02。根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为单模阶跃型光纤，多模阶跃型光纤和多模梯度型光纤。除此之外，光纤还按其制作材料、制作方法、用途等方法来分类。2、光纤的基本特性。信号通过光纤时光纤的损耗和色散是光纤传输的主要特性。（1）损耗设光纤入射端与出射端的光功率分别为 Pi 和 P0 ，光纤长度为 L（km），则光纤的损耗 (db / km)可用下式计算： =10LPP0（5-3）它是表征光纤传输特性的一个重要参数。引起光纤损耗的因素为吸收损耗和散射损耗。物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光功率的损失。光纤对于不同波长的吸收率是不同的。散射损耗是由光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。光纤弯曲使其边界条件发生变化，以致光在光纤中无法进行全近射传输也会造成散射损耗。二十一世纪七十年代后期，在长波区域，光纤损耗已降低到 0.2db/km，该值已接近光纤损耗的理论极限。（2）色散输入脉冲在光纤传输过程中由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象称为光纤的色散。它会使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。它是影响光纤信息容量的重要参量。-lg i光纤色散有三种：材料色散，结构色散，多模色散。多模色散对阶跃型多模光纤的影响较大，材料色散和结构色散对单模光纤的影响较大。3光纤、光源、探测元件型号、规格。光纤：多模玻璃光纤，芯径为 50 m，数值孔径 NA=0.63。光源：半导体面发光二极管，（LED）发出红外光。探测元件：光敏三极管 3DU。4半导体发光二极管简介。如图 5-8，在 P-N 结上加一正向电压，此时 P-N结势垒高度下降，耗尽层变薄，则从正极的 P 区向P-N 结区注入带正电荷的粒子-空穴，而从负极的 N 区向 P-N 结区注入带负电荷的电子，两者在 P-N 结附近相遇而结合-复合，把所具有的能量以光子的形式释放出来，因此发光二极管是把电能转为光能的转换器。根据所用材料禁带宽度的不同，发光管发出不同颜色的光，目前有发出红外、红、橙、黄、绿、蓝等不同颜色的二极管。发光二极管的特点是体积小、工作电流小、工作电压低、抗震、耐冲击、寿命长。发光二极管是电流控制器件