光纤位移压力传感特性的研究实验报告

1、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 光强，*(r,z)为纤端光场中位置(r,Z)处消耗，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的光通量密度，二为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃

2、光纤，二=1，ao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，-c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应用方式。实验原理场中作为探测接收器时， 所接收到的光强可表示为? 原理I (r,z)-：(r,z)ds 扌 exp ss 亦1 (z)02(z)ds1、透射调制对于多模光纤，光纤端出射光场的场强分布式中由下式决定(z)=aa0 1 Y (z/ ao)3/ 2ta n 日 J式中，S为接受光面，即纤芯面。I0(r,z)二2= 2a0 1(Z/ao)3/2ta nrc1在光纤端出射光场的远场区，为简便计，可?exp_r2|1+r(Z/ao)3/2ta将接收

3、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式中，I 0为由光源耦合进入发送光纤中的I(r,z)坐标位置为F(2 z,d)。其中，d为发送光纤轴心到反射接收光纤轴心间的距离，将其透射调制时，通常入射光纤面不动，而接收代入上式，并乘以反射率 R有光纤可以作纵(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l(z)二一2 (JRi。尸3/21(z/a0)ta 门北exp2 2a2aold21(z/a)3/2ta nrc该函数的曲线形状如下图所示当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，则可得到纵向位移传感特

4、性函数。下图为理论曲线3、微弯调制2、反射调制反射调制原理图如下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1和-，那么所需求的值 上是AP = P - P | = / A如图所示的反射调制系统中，接收光纤等效式中，上为波纹周期。这是因为只有满足这示灯。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dx dp式中，T为光纤的传播系数，x为变形器的位移，P为压力。? 仪器如图为光纤传感实验仪器主机如图为实验所用光纤组件* ?期脍忙存卜如图为光纤传感实验仪器示意图

5、*ST供卫韦毎逊珈-出射之坏实验内容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、訊仪器显示状态指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

6、果及分析如上图，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。? LED光源的I-P特性曲线 分析1 : z=0.5mm 与z=1.0mm 相比，前U上图为LED光源的I-U曲线，可观察到 U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），说随I变化基本成线性，即 U、丨成正比。 明峰值的出现由r控制，与z无关。P上图为L

7、ED光源的I-P曲线。? 光纤纤端光场的径向分布 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U1U2U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U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U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（

8、11-12 ）时，U随x变化剧烈，且基本呈线性，x过大或过小分析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.Gambl in

9、g ，光纤传感器原理，中国计量出版，1991，第五章、第 九章3、Yuan Libo and AnpingQiu,Fiber-optic diaphragm pressure是U随x变化缓慢。sen sor withautomatic inten sitycompensation,Sensor andsensor, Sensor andActuators,A28(1)29-33,19914、Yuan Libo etal.,Analysis of thecompensation mechanism of afiber-optic displacementActuators,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 characteristic