光纤传感应用综合实验讲义

1、光纤传感应用综合实验GCFS-B实验讲义武汉光驰科技有限公司Wuhan Guangchi Technology Co.,LTD 目录光纤端场传感实验的理论基础4实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线12实验二、透射式横(纵)向光纤位移传感（光纤数值孔径测量）15实验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量）22实验四、微弯式光纤位移/压力传感28实验五、光纤端场角度传感33实验六、光纤温度压力传感（传光型）37实验七、光纤火灾预警系统实验40实验八、光纤照明实验系统设计45前言光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现

2、产生了光纤通信技术，而光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的.在光通信系统中,光纤被用作远距离传输光波信号的媒质,显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度,压力,电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强,相位,频率,偏振,波长等的变化.因而,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术.光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小

3、,重量轻,耗电少等.光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型.功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称为传感型光纤传感器,或全光纤传感器.非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输来自远外或难以接近场所的光信号,所以也称为传光型传感器,或混合型传感器.光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器,相位调制光纤传感器,频率调制光纤传感器,偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器.光纤传感器按被测对象的不同,又可分为光纤温度传感器,光纤位移传感器,光纤浓度传感器,光纤电流传感器,光纤流速传感器,光纤液位传感器等.光纤

4、传感器可以探测的物理量很多,已实现的光纤传感器物理量测量达70余种.然而,无论是探测哪种物理量,其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已调制的光信号进行检测,从而得到被测量.因此,光调制技术是光纤传感器的核心技术.鉴于以上专业背景,我们开发并研制出了光纤传感实验系统.本实验系统的开放性,分立式可以增强学生对光纤传感的感性认识,提高学生的基本技能.在实验教学过程中,从实验原理,实验内容到实验仪器,实验方法等都很适合工科物理实验的教学要求,将应用技术和基础实验很好的结合起来.本手册仅供使用光纤传感实验系统从事物理实验以及光纤传感应用的教师,学生和技术人员参考

5、.限于作者水平,手册中谬误难免,恳请读者不吝批评指正.衷心希望在我们的共同努力下,能够推进光纤传感这一先进技术的学习和普及.光纤端场传感实验的理论基础 光纤传感器一般可分为两大类，即功能型传感器（Function fiber optic sensor）和非功能型光纤传感器（Non-function fiber optic sensor）。所谓功能型是利用光纤的本身的特性把光纤作为敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器；而非功能则是指利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输敏感区传来的是经过被测元件调制了的光信号，因此，也称作传光型传感器。就外部调制非功能型传光型光纤传感器而

6、言，如反射接收型、直接透射型等，一般是由入射光源光纤、调制器件和接收光纤组成。接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射光场强度相关。因而，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要。这类传感器在早期的设计中，许多的人都采用了均匀性假设，即在光纤的数值孔径内，纤端出射光场的光强沿径向分布是均匀的。这明显与实际不符，只能局限于一定的条件下的近似应用。Hoogenboom等人曾提出纤端出射光场强分布可用高斯型函数来描写。Takai与Asakura计算了入射光为激光光源情况下的多模光纤纤端出射场的性质，给出的平均强度分布为 (1

7、) 式中 散斑场的相干长度 光纤芯半径 光波长 对于如下情况：坐标参数z0，光源为相干长度=0的热光源，公式(1)失效。为了给出一个既与实际相符，又具有通用性的纤端光场场强分布表达式，有必要分析一下光纤出射端面的光场特性。首先，按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布，在稳态情况下大部分光功率集中分布在基模及低阶模附近。叠加后的光纤端面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。其次，沿光纤传输的光可近似看成平面波，此平面波场在纤端出射时，可等价近似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，因而实际情况更接近两者的某种融合。为分析计算方便，我们作如下假设。

8、光纤端面：光场是由光强均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯发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场和在自由空间中传输的准高斯光束叠加而成。为方便起见，我们借助于复数运算形式，依上述假设，在光纤端面光场复振幅为 (2)这里，p、q为两光场的权重系数，且满足条件：。 (3) (4)分别代表光纤端面均匀分布的平面波场和沿径向高斯分布的高斯光场。式中，为高斯光束半径；为一相关参数，于是 (5)上式所描述的场由源平面沿Z轴向自由空间的传输可由惠更斯-菲涅耳衍射积分来描写，依旁轴近似，在XOY平面内的光场为 （6）图1 光纤端光场坐标分析系统对于由图1，因为k>>

9、;1/R，且|r-u|<<z,所以对R用泰勒展开有 (7)为方便计，取轴的方向（角度由此量起）使=0，则有 (8)考虑到Bessel函数的积分表达式 (9)及关系式 (10)由公式8可得 (11) 对于有 (12) 于是，点处光场的场强为 (13) 式中，。公式（13）表明，纤端出射光场强度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。由高斯光束半宽定义，有 (14)为将与光纤芯半径联系起来，将代入公式（14）有 (15)又依几何光学有 (16)这里，为光纤的最大出射角。 实际上，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

10、合，我们综合上述两种近似情况，引入无量纲调和参数，给出修正结果如下 (17) 实际使用过程中，为了方便，对于渐变折射率分布光纤有时选取；对于阶跃折射分布光纤通常选。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,。因而对于大芯径多模光纤，为使用方便，上式通常取如下形式 (18)式中 由光源耦合到发送光纤中的光强 纤端光场中位置处的光通量密度 表征光纤折射率分布的相关参数 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 (19)这里，为接收光面积，即纤芯面。 在纤端出射光场的远场区，为方

11、便计算，可用接收光纤端面中心点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 (20)实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线实验目的1.了解半导体激光器阈值的概念，测量半导体激光器工作时的光功率、工作电压和工作电流。2.通过测量出来的功率、电压和电流值，描绘半导体激光器的P-I、V-I曲线，学习通过曲线计算半导体激光器的阈值。实验原理常用的半导体光源有半导体激光器(LD)和发光二极管(LED).它们的发光机理都是非平衡载流子的辐射复合且都工作于正向偏置状态.LED的发射光谱半带宽比较窄,波长取决于材料的能带结构及掺杂情况,半导体激光器能发出单色性更好

12、的辐射,且功率更强,方向集中.典型的波长有0.85,1.31和1.55.这两类器件都是快速响应器件,它们的响应时间为秒数量级.由于它们具有体积小,重量轻,功耗低.安装简易以及性能稳定等优点,因而这两种光源不仅成为光纤通信的理想光源,也同样是光纤传感器的最常用的光源. 本实验系统所采用的是LD光源,其中心波长为1.55。半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，激光器发射普通的荧光，其工作状态类似于一般的发光二极管。随着注入电流的增大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，但当注入电流小于阈值电流时，

13、谐振腔的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定的模式振荡，激光器发射的仅仅是较强的荧光，这种状态称为“超辐射”状态，只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光。 阈值电流（Ith）的测量方法。、图5 半导体激光器的工作特性曲线图5中给出了半导体激光器的典型特性示意图，其中的曲线是输出光功率和工作电流的关系（实线），虚线是对功率和电流的关系一次求导的结果，划线是对功率和电流的曲线的二次求导的结果。一般对阈值的描述常用的有下述几种过程：a，在P-I曲线的快速上升断上取其中的线性部分延长线与横坐标的交点；b，把荧光部分和激光部分分别近似看成两条直线，那么两条直线的交点就是阈值；

14、c，在dP-dI的曲线上，取上升沿的中点（10和90两点的中点）；d，d2P/dI2的顶点作为阈值点。一般在分析半导体激光器的时候，会把激光器看成是一个理想的二极管和一个电阻串联在一起，这个电阻叫串联电阻。这个串联电阻一般是由于电极接触、杂质等原因造成的。半导体激光器（发光）串联电阻（热）图6半导体激光器的分析模型考虑到理想的二极管的工作电压是不变的，那么V-I曲线就应该是水平的，为什么图中是向上倾斜的呢？原因就是串联电阻，V-I的斜率就是串联电阻的阻值。 实验步骤1. 取一根多模跳线，接到PIN接收端，另一端接到LD输出端。2. 接通电源,打开电源开关，主机的液晶屏上将显示工作电压V,工作电

15、流I和光功率P三行数据.按步长选择按键,选择想要的步长(0.25mA,0.5mA,1mA,2mA).按增大电流按键增加驱动电流,记录下每个状态的驱动电流,工作电压和功率值。3. 将所得到的数据中电流值作为横坐标,工作电压和功率值为纵坐标,就可以得到P-I,V-I曲线。4. 以上操作属于手动操作,如果用串口线将系统主机和计算机连接起来并按下切换键（此时主机的液晶屏上显示“通讯中：是”）就可以实现计算机控制。(计算机须提前安装配套软件程序)在计算机的界面下,也可以实现以上的测量,并且可自动描出P-I,V-I曲线。除此之外,在软件中可以实现对P-I曲线的一次微分和二次微分,求出阈值电流。实验二、透射

16、式横(纵)向光纤位移传感（光纤数值孔径测量）实验目的： 1掌握强度型光纤透射传感的基本原理与调制方式； 2了解强度型光纤透射传感器的理论分析方法、调制特性曲线及相关影响因素。实验原理透射式强度调制光纤传感原理如下图所示,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.透射式调制方式的分析比较简单。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述,其光场分布坐标如图所示。依照前面讲过的光纤端出射光场强度分布，当z固定时,得到的是横向位移传感特性函数,当r取定时(如r=0),则可得到纵向位移传感特性函数。 zr接收光纤发

17、射光纤r图8 透射式光纤传感分析模型图 9 透射式光纤传感实验模型实验装置 图10 实验装置图实验步骤1. 根据实验装置图连接光路，两根光纤跳线分别与主机上的LD输出端和PIN接收端相连接，并将纵向的螺旋测微器反方向（逆时针）调到初始位置。（注：两根光纤跳线，分别将带有ST插芯的一端安装在光纤探头固定装置上，另一端接LD输出端和PIN接收端。ST插芯比普通的PC插芯要长一些，通过对比观察即可辨别。）2. 接通电源,按下电源开关，主机的液晶屏上将显示工作电压V,工作电流I和光功率P三行数据。按步长选择按键,选择2mA步长。按增大电流按键增加驱动电流,使电流达到最大值。3. 将光纤的发射端和接收端

18、两个光纤端面靠近并对准，通过调整四维架和横向的螺旋测微器，使光纤的发射端和接收端保持同轴，此时主机液晶屏上显示的光功率值应为最大值。4. 假定此时纵向螺旋测微器的读数为零，沿纵向远离的方向旋转螺旋测微器，每移动一定距离（推荐每次变化10-50微米，螺旋测微器的每一格对应10微米）记录下螺旋测微器的读数和相应的光功率值，直到光功率值减小到接近零时停止实验。5. 根据所测数据在坐标纸上绘出相应的曲线，即纵向光纤位移传感调制曲线。6. 测量横向光纤位移传感调制曲线时，使发射端和接收端的光纤端面保持一定距离，调整同轴。假定此时横向螺旋测微器的读数为零，旋转横向的螺旋测微器（每次移动10微米），使两个光

19、纤端面在径向上偏离，记录下螺旋测微器的读数和相应的光功率值，直到光功率值减小到接近零时停止实验。7. 根据所测数据在坐标纸上绘出相应的曲线，即横向光纤位移传感调制曲线。8. 以上操作属于手动操作,如果用串口线将系统主机和计算机连接起来并按下切换键（此时主机的液晶屏上显示“通讯中： 是”）就可以实现计算机控制。(计算机须提前安装配套软件程序)在计算机的界面下,也可以实现以上的测量,并且可由所测数据自动描出相应的曲线进行分析。详情可参见软件操作说明。9. 自己动手设计基于可见光的对射式光纤位移传感系统。光纤传感应用综合实验模块上光源驱动的L+和L-接口接光源的LED+和LED-即可驱动白色发光二极

20、管发光，可耦合到对射式或者反射式塑料光纤上，探测器探测到的白光通过PD+和PD-输出接到探测器放大处理电路的P+和P-端，VO+和GND输出接到电压表，电压表显示电压值及课表是光强的变化。10. 光纤数值孔径测量。光纤数值孔径的一种定义是远场强度有效数值孔径。远场强度有效数值孔径是通过测量光纤远场强度分布来确定的。它被定义为光纤远场辐射图上光强值下降到最大值的5%处半张角的正弦值，CCITT规定的就是这种数值孔径，如图：图中数值孔径为：NA= sina=d/式中：z为入射光纤端面和接收光纤端面正对时的两光纤端面间的距离；d为当z一定时，接收光强下降到最大值的5% 时，入射光纤的出射光在投影屏幕

21、上所形成的光斑的半径。安装对射式光纤传感器实验装置。接收光纤安装在左侧平移台，发射光纤安装在右侧平移台。 调节位移台，使两光纤端面距离为1.5mm，即z=1.5mm，并使得探测器输出电压最大（此时两根光纤同轴心）。径向移动右侧接收光纤至接收光强接近于零，沿该方向继续旋转位移调节器200um，然后反向旋转位移调节器100um，以消除螺旋测微器可能存在的空程误差。平移探测光纤，每50um记一个光强对应的电压输出，直到光强（电压）增大后减小到不再改变，停止计数。根据记录数据作出光强分布曲线。根据曲线求出d值，并计算出光纤的数值孔径值。 实验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量）实验目的：1. 掌握强

22、度型光纤反射式传感的基本原理与调制方式；2. 了解强度型光纤反射式传感器的理论分析方法、调制特性曲线及相关影响因素。实验原理采用的光纤传感器的原理如图所示。光纤探头A由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射回的光，R是反射材料。系统可工作在两个区域中，前沿工作区和后沿工作区（见反射式调制特性曲线）。当在后沿区域中工作时，可以获得较宽的动态范围。图11 反射式光纤传感分析模型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出：式中I0为由光源耦合入发射光纤中的光强；为纤端光场中位置处的光通量密度；为一表征光纤

23、折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，=1；r为偏离光纤轴线的距离,x为光纤端面与反射面的距离,为光纤芯半径，为 与光源种类、光纤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上发射光纤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，即纤芯端面。在纤端出射光场的远场区，为简便计算，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，得在接收光纤终端所探测到的光强公式为： 图 12反射式光纤传感实验模型实验装置图13 实验装置图实验步骤1. 根据实验装置图连接光路，两根光纤跳线分别与主机上的LD输出端和PIN接收端相

24、连接，并将纵向的螺旋测微器反方向（逆时针）调到初始位置。2. 接通电源,按下电源开关，主机的液晶屏上将显示工作电压V,工作电流I和光功率P三行数据.按步长选择按键,选择2mA步长.按增大电流按键增加驱动电流,使电流达到最大值。3. 将发射端光纤端面和反射物端面靠近并对准，通过调整四维架和横向的螺旋测微器，使发射端光纤端面和反射物端面保持同轴。4. 假定此时纵向螺旋测微器的读数为零，沿纵向远离的方向旋转螺旋测微器，每移动一定距离（推荐每次变化10-50微米，螺旋测微器的每一格对应10微米）记录下螺旋测微器的读数和相应的光功率值，直到光功率值减小到接近零时停止实验。5. 根据所测数据在坐标纸上绘出

25、相应的曲线，即反射式光纤位移传感调制曲线。6. 以上操作属于手动操作,如果用串口线将系统主机和计算机连接起来并按下切换键（此时主机的液晶屏上显示“通讯中：是”）就可以实现计算机控制。(计算机须提前安装配套软件程序)在计算机的界面下,也可以实现以上的测量,并且可由所测数据自动描出相应的曲线进行分析。详情可参见软件操作说明。7. 自己动手设计基于可见光的反射式光纤位移传感系统。光纤传感应用综合实验模块上光源驱动的L+和L-接口接光源的LED+和LED-即可驱动白色发光二极管发光，可耦合到对射式或者反射式塑料光纤上，探测器探测到的白光通过PD+和PD-输出接到探测器放大处理电路的P+和P-端，VO+

26、和GND输出接到电压表，电压表显示电压值及课表是光强的变化。8. 自己动手设计光纤液位测量系统。将反射式光纤端面垂直对着液面，液面可视为反射式光纤位移传感中的平面反射镜。实验四、微弯式光纤位移/压力传感实验目的： 1掌握光纤弯曲损耗的基本规律； 2了解光纤弯曲传感原理与技术； 3简要了解光纤弯曲传感调制器的特性。 实验原理 在光通信领域，光纤弯曲引起的损耗一直备受关注。D.Marcuse和D.Gloge关于光纤弯曲引起的模耦合的研究结果，对于发展光纤弯曲损耗的研究领域具有重要的意义。随着光纤传感器技术的发展，现今，弯曲引起的损耗已成为一种有用的传感调制技术，业已开展了大量的研究，可以利用光纤的

27、弯曲来测量多种物理量。微弯型光纤传感器的原理结构如下图所示。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，造成光纤中的能量损耗。为了扩大这种效应，我们把光纤夹持在一个周期波长为A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，近似的将把光纤看成是正弦微弯，其弯曲函数为： （1）式中L是光纤产生微弯的区域，A为其弯曲幅度,为空间频率,设光纤微弯变形函数的微弯周期为，则有 。光纤由于弯曲产生的光能损耗系数是： （2）式中称为谐振频率。 （3）图 14 微弯型光纤传感分析模型为谐振波长，和为纤芯中两个

28、模式的传播常数，当时，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： （4）r为光纤半径，D为纤芯与包层之间的相对折射率差。由（3）（4）可得： （5）对于通讯光纤,。（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妆结构来产生微弯，按（5）式得到的Ac一般太小，实用上可取奇数倍，即3 、5、7等，同样可得到较高的灵敏度。图15 微弯型光纤传感实验模型实验装置 图 16 实验装置图实验步骤1根据实验装置图连接光路，两根光纤跳线分别与主机上的LD输出端和PIN接收端相连接。2接通电源,

29、按下电源开关，主机的液晶屏上将显示工作电压V,工作电流I和光功率P三行数据.按步长选择按键,选择2mA步长.按增大电流按键增加驱动电流,使电流达到最大值。3将被测光纤放置在弯曲变形调制器中。利用螺旋测微器首先使弯曲变形器与光纤接触，记录此时的光功率值，同时记录当前螺旋测微器的读数。4然后，每旋进50微米记录一次光功率值，（注意：不要用力压迫光纤以免光纤被压断，当光功率值显示接近零时停止实验）将所得数据绘成曲线，该曲线即可作为微位移测量的标定曲线，用于微位移检测。利用这条曲线可以方便地对光纤弯曲损耗的特性进行研究。5以上操作属于手动操作,如果用串口线将系统主机和计算机连接起来并按下切换键（此时主

30、机的液晶屏上显示“通讯中： 是”）就可以实现计算机控制。(计算机须提前安装配套软件程序)在计算机的界面下,也可以实现以上的测量,并且可由所测数据自动描出相应的曲线进行分析。详情可参见软件操作说明。6.自己动手设计基于可见光的光纤微弯传感系统。光纤传感应用综合实验模块上光源驱动的L+和L-接口接光源的LED+和LED-即可驱动白色发光二极管发光，可耦合到对射式或者反射式塑料光纤上，探测器探测到的白光通过PD+和PD-输出接到探测器放大处理电路的P+和P-端，VO+和GND输出接到电压表，电压表显示电压值及课表是光强的变化。实验五、光纤端场角度传感实验目的 1掌握光纤端面角度和损耗的基本规律； 2

31、了解光纤端场角度传感原理与技术；实验原理当两根光纤端面间距和角度不同情况下相对时，引入的损耗如下式： （1）其中，：是光纤纤芯的折射率；：光纤端面间的介质折射率；：光源的波长；：横向偏移；：纵向偏移；：角度对准误差；：发送光纤的模场直径的1/e；：接收光纤的模场直径的1/e。光纤端场角度传感模型光纤准直器端场角度传感模型为了排除其它因素的影响，首先要使两个光纤端面中心对准，即没有横向偏移，调整并固定两个端面的纵向距离，然后就可以进行角度传感实验。与光纤端面相比，光纤准直器对角度更加敏感，调整难度也较大一些。实验装置 图 17 实验装置图实验步骤1根据实验装置图连接光路，两根光纤跳线分别与主机上

32、的LD输出端和PIN接收端相连接，并将纵向的螺旋测微器反方向（逆时针）调到初始位置。（注：两根光纤跳线，分别将带有ST插芯的一端安装在光纤探头固定装置上，另一端接LD输出端和PIN接收端。ST插芯比普通的PC插芯要长一些，通过对比观察即可辨别。）2接通电源,按下电源开关，主机的液晶屏上将显示工作电压V,工作电流I和光功率P三行数据.按步长选择按键,选择2mA步长.按增大电流按键增加驱动电流,使电流达到最大值。3将光纤的发射端和接收端两个光纤端面靠近并对准，将精密角位移台调整到零度角，通过调整四维架和横向的螺旋测微器，使光纤的发射端和接收端保持同轴，此时主机液晶屏上显示的光功率值应为最大值。4然

33、后，通过精密角位移台上的旋钮调整光纤端面的倾斜角度，并实时记录接收到的光功率，将所得数据绘成曲线，该曲线即可作为光纤端场角度传感测量的标定曲线，用于角度检测。5以上操作属于手动操作,如果用串口线将系统主机和计算机连接起来并按下切换键（此时主机的液晶屏上显示“通讯中： 是”）就可以实现计算机控制。(计算机须提前安装配套软件程序)在计算机的界面下,也可以实现以上的测量,并且可由所测数据自动描出相应的曲线进行分析。详情可参见软件操作说明。实验六、光纤温度压力传感（传光型）实验目的 1了解和掌握传光型光纤传感原理； 2光纤温度和压力传感实验；实验原理在传输型光纤传感器中，光纤本身作为信号的传输线，利用

34、温度（压力）电光光电的转换来实现温度压力的测量。主要应用在恶劣环境中，用光纤代替普通电缆传送信号，可以大大提高温度测量系统的抗干扰能力，提高测量精度。实际温度显示温度源温度传感器温度信号处理驱动发光二极管探测器接收探测信号处理测量温度显示光纤传输光纤温度传感原理系统框图实际压力显示气压源压力传感器压力信号处理驱动发光二极管探测器接收探测信号处理测量压力显示光纤传输 光纤压力传感原理系统框图温度控制仪使用说明：1、仪表参数修改，设定时的人机对话均通过按键来实现的。当在第一次使用本产品时，请详细阅读下面的操作流程。2、注意：在第二设定状态，当AT=0时，按SET键时间超过5秒钟将退出设定状态，进入

35、正常控制状态。 在第二设定状态,当AT=1时,按SET键时间超过5秒,系统将退出设定状态并自动进入自整定寻优状态 在自整定工作状态,按SET键后,系统将进入设定状态,并退出自整定状态,你若要重回自整定状态时,则可把AT再设置成1后退出。 在设定状态设定完成后,如不按正确操作退出设定状态,超过30秒后,系统将自动退出设定状态,你前次所设定参数被宣布无效。 3、设定字符解释：以下字符每按一次SET键后依次出现，根据不同功能有些字符可能在你所选用的仪表中不存在。 实验步骤1、传导型光纤温度传感器测温度原理实验1.1集成温度传感器插入主机箱上散热块，连线按照颜色对应接入主机箱温度传感器接口。光纤两端分

36、别插入光纤传感应用综合实验模块光源和探测器孔。1.2将模块箱、上的输出Vo+、GND和电压表的+、-相连，A+和GND上下两个插孔接电流表的+、- 输入插孔。L+和L-接光源LED+和LED-，PD+和PD-接P+和P-。1.3打开主机箱电源，再打开温控仪电源开关和致冷器开关。温度从10开始，仪表每隔5，记录一次电压表读数。当温度加热与冷却平衡时，即温控仪的显示的温度稳定不变时，记下主机箱电压表的读数,填入下表，并根据实验数据作实验曲线。温控仪()101520505560电压表(V)2、传导型光纤压力传感器测压力原理实验1、气压表接主机箱面板气压输出接口。2、将模块箱、上的输出Vo+、GND和

37、电压表的+、-相连，A+和GND上下两个插孔接电流表的+、- 输入插孔。L+和L-接光源LED+和LED-，PD+和PD-接P+和P-。3、打开主机箱电源，再打开气压电源开关。调节转子流量计使气压从7KPa开始，根据表1，记录主机箱电压表读数（待气压表指针稳定后再读数）,填入下表，并根据实验数据作特性曲线。压力KPa7891012141618U(V)实验七、光纤火灾预警系统实验实验目的1.掌握透射式光纤测量烟雾原理与方法2.掌握反射射式光纤测量烟雾原理与方法 实验原理1.反射式光纤烟雾传感器 下是反射式光纤烟雾传感器原理图， 设为光源种类及光源跟光纤耦合情况有光的调制参数，为烟雾吸收光强系数，

38、为烟雾散射光强系数，c为烟雾浓度则有：其中c为光纤最大孔径角当探头距离反射面较小时且光源与输入光纤耦合较好，采用准共路光纤，则0，则上式变形为：其中： 再对上式展开忽略高阶项，近似得到：由上式知道：z一定时，增大时，灵敏度增大；烟雾浓度c增大，灵敏度增大；散射光强系数增大，灵敏度增大。一般吸收光强系数为定值，当浓度c增大时，散射光强系数也增大2.透射式光纤烟雾传感器 透射式光纤烟雾传感器原理图图中，当移动接收光纤时，其接收到的光强大小不一样，当两根光纤纤芯对准时并且紧紧靠在一起时接受光纤接收到的光强最强；两光纤间距越大，发射光纤发射出来的光斑面积越大，单位面积上的接收到的光强越弱；即两光纤间距

39、越大，接收光纤接收到的光强越小。发射光纤（输入光纤）输出的光强为高斯函数，当两光纤共轴时，接收光纤接收到的光强I与其纵向移动间距z近似为线性关系，当有烟雾作用时，接收光纤接收到的光强为：再对上式展开忽略高阶项，近似得到：由上式知道：z一定时，增大时，灵敏度增大；烟雾浓度c增大，灵敏度增大；散射光强系数增大，灵敏度增大。一般吸收光强系数为定值，当y烟雾浓度c增大时，散射光强系数也增大实验步骤1、反射式光纤传感器烟雾报警实验1.1按照上图把反射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射端、接收端分别插入光纤传感器模块上的光源座孔和探测器座孔上。1.2探测器放大处理电路的输出端对应街道超低频报警处理电路输入

40、端。1.3.用烟雾喷向探头，观察报警处理电路指示灯变化情况并分析。2、透射式光纤传感器器烟雾报警实验1.1按照上图把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射端、接收端分别插入光纤传感器模块上的光源座孔和探测器座孔上。1.2探测器放大处理电路的输出端对应街道超低频报警处理电路输入端。1.3.用烟雾喷向探头，观察报警处理电路指示灯变化情况并分析。3、光纤温度传感报警实验实验八、光纤照明实验系统设计实验目的 了解并掌握光纤照明系统的原理及应用实验原理光纤照明是最近几年来一种新兴的照明方式。由于光纤自身所具有的一些独特物理特性，光纤照明被应用在室内装饰照明、局部效果照明、广告牌照明、建筑物室外公共区域的

41、引导性照明、室内外水下照明和建筑物轮廓及立面照明之中，并且已经取得了良好的照明效果。1、光纤照明的特点1.1单个光源可具备多个发光特性相同的发光点；1.2光源易更换，也易于维修；1.3发光器可以放置在非专业人员难以接触的位置，因此具有防破坏性；1.4无紫外线、红外线光，可减少对某些物品如文物、纺织品的损坏；1.5发光点小型化，重量轻，易更换、安装，可以制成很小尺寸，放置在玻璃器皿或其他小物体内发光形成特殊的装饰照明效果；1.6无电磁干扰，可被应用在核磁共振室、雷达控制室等有电磁屏蔽要求的特殊场所之内；1.7无电火花，无电击危险，可被应用于化工、石油、天然气平台、喷泉水池、游泳池等有火灾、爆炸性

42、危险或潮湿多水的特殊场所；1.8可自动变换光色；1.9可重复使用，节省投资；1.10柔软易折不易碎，易被加工成各种不同的图案；系统发热低于一般照明系统，可降低空调系统的电能消耗。2、光纤照明系统组成2.1发光器发光器即光源装置。根据其内部所配光源不同，一般分成卤钨灯系列、金卤灯和LED灯系列。其中卤钨灯光源功率一般为50W或75W，输入电压为交流12V（装置自带电源变压器），适用于博物馆或展览馆等对温湿度及紫外线、红外线有特殊控制要求的场所；金卤灯光源功率一般为150W或200W，输入电压为交流220V，适用于建筑物轮廓照明及立面照明等光亮度要求较高的场所。LED灯光源功率一般在50W以下。本

43、实验仪使用的为16W单头带遥控的LED光源器，可发出13种颜色光。该装置自带电源插头，适用的电源为交流220V，50Hz。2.2发光导体 发光导体一般由塑料或玻璃纤维束或单根塑料纤维构成，考虑到传输过程中的光衰减，其长度一般不超过30m。可通过系统串联解决。常见的发光导体有以下几种：端面发光光纤光纤外覆非常薄的塑料或玻璃纤维涂层，防止光线外泻，其外有一层不透明的衬层和一层塑料、橡胶或金属丝制的耐热、抗紫外线保护套（用于保护和支撑光纤）。通体发光光纤光纤采用特殊结构，可通体发光，其外有一层透明的衬层和一层耐热、抗紫外线的PVC透明保护套。流星光纤也称为闪点光纤光纤采用特殊结构，可发出星星闪烁般光

44、芒。2.3终端附件各种光纤的末端，均可根据实际需要配置终端附件。有筒灯型、配透镜型（可聚光或发散光）、地面专用型以及水下型终端。本实验配置的为水晶珠，可以为实际照明提供不同效果。3、光纤照明典型应用由于光纤照明所具有的许多特点，使得它的应用是广泛的，现根据不同的使用地点和使用效果对其典型应用进行分析说明。3.1电视会义桌面照明采用末端发光系统，配置聚光透镜型发光终端附件由顶部垂直照射，在桌面形成点状光斑，透合与会人员读写而不影响幻灯投影讲解的进行（在一般照明灯具关闭或亮度调低的情况下）。 3.2置于顶部较高、难于进行维护或无法承重的场所的效果照明将末端发光系统用于酒店大堂高大穹顶的满天星造型，

45、配以发散光透镜型发光终端附件和旋转式玻璃色盘，可形成星星闪闪发光的动态效果，远非一般照明系统可比。3.3建筑物室外公共区域的引导性照明采用落地管式（线发光）系统或埋地点陈指引式（末端发光）系统用于标志照明，同一般照明方式相比减少了光源维护的工作量，且无漏电危险。3.4室外喷泉水下照明采用末端发光系统，配置水下型终端，用于室外喷泉水下照明，且可由音响系统输出的音频信号同步控制光亮输出和光色变换。其照明效果及安全性好于普通的低压水下照明系统，并易于维护，无漏电危险。3.5建筑物轮廓照明及立面照明采用线发光系统与末端发光系统相结合的方式，进行建筑物轮郭及立面照明。如香港中银大厦外立面圣诞节装饰照明系统，该系统图案新潮，色彩变化丰富。其施工方便，安装周期短，具有较强的时效性