试验一LED发光二极管I-P特性曲线测试

《光纤传感技术》实验讲义实验一 LED发光二极管I—P特性曲线测实验二 光纤纤端光场径向分布的测试实验三 光纤纤端光场轴向分布的测实验四 反射式光纤位移传感实验实验五 微弯式光纤位移传感器实验六 光纤传感器应用——转速与震动测实验七 光纤传感器应用——温度测量实验八 光纤光栅应变传感实实验九 光纤光栅温度传感实华侨大学信息科学与工程学院PAGEPAGE30实验一 LED发光二极管I—P特性曲线测试— 实验目的1、了解发光二极管及PIN探测器的基本构造和原理；2、了解发光二极管的工作特性；3、熟练掌握发光二极管的I—P特性，掌握发光二极管I—P特性曲线的测量方法；4、测量一组P、I值并绘出不同I—P特性曲线。二实验仪器DOWNUPLEDPINFOS-IIISensingW00000000000图1光纤传感实验仪主机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。

图3

透射接受探头三发光二极管及PIN探测器的基本构造和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LED(LightEmittingDiode)，它的输出光功率（P）随着驱动电流（I）LEDI—P特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。1、发光二极管的结构及发光机理LEDPN型限制层中间。发光二极管有两种类型：一类是正面发光LEDLED1.1LEDLED图1.1在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。如图1.2所示，当发PN载流子扩散运动加强。由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级向低能级LED的发射光波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量取决于半导体材料的禁带宽度gg=-，为导带底附近的能槽，v为价带顶附近的能量。禁带宽度越大，发出光波的波长就越短，即其中c为光速，h为普朗克常数。发射光波长有一定的分布，光源发出的光谱有一定的宽度，这主要是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之LED光源中心波长为850nm。2、PIN型光电二极管的结构和工作原理PN结的光电效应实现的。PNPNPN结，参与导电。当入射光强变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流随之变化，这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系，从而保证了光功率在很大范围内与电压有如下线性关系P为光功率，U为PN结两端电压，K为比例系数。PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，PN（称I)PIN光电二极管。PIN1.3。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征P型和NP+和N+I层P+层和N+层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度ω，来改变器件的响应速度。PIN光电二极管具有如下主要特性：ηρη的定义为一次光生电子一空穴对和放射光子数的比值响应度的定义为一次光生电流Ip，和入射光功率P0的比值式中，hf为光子能量，e为电子电荷。量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，PN层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，IPIN极管的量子效率可以近似表示为式中，a(λ)dIa(λ)d>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I层的厚度d要足够大。量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱a(λ)。对于λc，满足以下关系：λc＝hc/Eg响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间τ或截止频率fc表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10％90%9010％的时间，分别定义为脉冲上升时间τr降时间τfτ0指数函数exp(t/τ0)exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时间ω＝2πfI(ω)3dB率定义为截止频率fco。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间τd和RCω与渡越时间τd的倒数可以相比时，耗尽层（I层）对量子效率η(ω)的贡献可以表示为2由η(ω)/η(0)=1/ 得到由渡越时间τd限制的截止频率2式中，渡越时间τd＝d/νs,,d为耗尽层宽度，νs为载流子渡越速度，比例于电场强度。由式（1-8）和式（1-9）可以看出，减小耗尽层计划宽度d，可以减小渡越时间τd，从而提高截止频率fc。由电路RC时间常数限制的截止频率式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cf和管壳分布电容Ck的总和。式中，ε为材料介电常数，A为结面积，d为耗尽层宽度。噪声。噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏（Shot和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流（在IΩ负载上消耗的噪声功率）来描述。均方散粒噪声电流式中，e为电子电量，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。2eIpB和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声，它决定光接收机灵敏度的极限。2eIpB生的反向直流电流，它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有关，例如Si-PIN，Id<1nA，Ge-PIN，Id>100nA。均方热噪声电流s式中，k=l.38×10-23J/K，为玻耳兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流为四实验内容及操作要点1、连接光路，取出发射-PIN接口及LED接口相连。2、接通电源，D驱动电流显示窗上将指示出D（单位：A。调整电流调节按键使电流达到最小。32.5mA，对应记录下经光电转换放大后的输出电压值（单位：mV)值正比于光输出功率。五数据记录及处理1I、U1—2式算出P值。次 数1234567I(mA)U(mV)P(uW)次 数891011121314I(mA)U(mV)P(uW)2LED光源的IP特性曲线。实验二 光纤纤端光场径向分布的测试光纤纤端光场的分布是反射式光纤传感实验的基础。通过纤端光场的分布的测量可以给使用者以直观的印象，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。同时，它的测量涉及到光纤传感器的设计、使用方法等基本问题，具有重要意义。一、实验目的,方法；定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法；测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。二、实验仪器（1（2（3（4。FOS-III0000mA0000WPIN DOWN1LED—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。

图2

图3

透射接受探头4二维调节架三、实验原理上，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：叠加而成。在以上假设下可推导出理论公式(1)(详细推导请参照参考文献[1])r ⎪ a2 kr0000

(2

2)2

⎡ 2k

2r

⎤⎪I(r,z)

⎨p20J2(

a)q2 0 exp⎢0

（1）0⎩

r2 1 z

2(4z2k24)

4z2

2)2⎦⎭式叠加的结果。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ξ，可以给出如下结果(z)

⎡(z)32tg

（2）a00⎥⎣ a0 ⎦p0q12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2I=02a20

I00(z/a0

)3/

tgc⎨a⎩⎨a

r22 2(z/

)3/

⎪2⎬tgc

00（3）00四、实验内容及操作要点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；2D驱动电流调到指定电流（35；3射光纤和出射光纤已对准；40.5mm（两光纤探头的间距）停止；55个小格记录电压输出值，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。五、实验数据及数据处理在同一坐标纸上作出两条曲线（数据表格自行设计。（LED）实验三 光纤纤端光场轴向分布的测试随着光通信技术的发展，派生出了光纤光纤传感技术及光纤传感器的应用。就外部调制型光纤传感器而言，如反射接收型、直接入射型、光闸型等等，一般由入射光源光纤、调制器件及接收光纤组成。而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，大多与光纤出射的光场相关。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。通过纤端光场的分布的测量有助于使用者了解纤端光场的分布特点，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握。一、实验目的了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件,学习和掌握其正确使用方法；定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法；定量的测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。二、实验仪器（1（2（3（4。三、实验原理上，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：叠加而成。在以上假设下可推导出理论公式(1)(详细推导请参照参考文献[1])r ⎪ a2 kr0000

(2

2)2

⎡ 2k

2r

⎤⎪I(r,z)

⎨p20J2(

a)q2 0 exp⎢0 ⎥⎬（1）0⎩

r2 1 z

2(4z2k24

4z2

2)2⎦⎭)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ξ，可以给出如下结果(z)

⎡(z)32tg

（2）a00⎥⎣ a0 ⎦实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ=2-1/2通常取σ1，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p0,q1。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I=02a20

I00(z/a0

)3/

tgc⎨a⎩⎨a

r22 2(z/

)3/

⎪2⎬tgc

00（3）002四、实验内容及操作要点21、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；2D驱动电流调到指定电流（如：；3射光纤和出射光纤已对准；45出值，直至输出电压变为零。五、实验数据及数据处理在坐标纸上作出理论曲线和实验曲线。（D）实验四 反射式光纤位移传感实验光纤传感实验仪是由多种形式的光纤传感器组成，是集教学和实验于一体的传感测量系统，它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便，应用范围广等特点。在实验过程中，我们用光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，可用以测量多种可转换成位移的物理量。一、实验目的：1,使用方法；2、了解一对光纤（一个发光、一个接收光）的反射接收特性曲线；3、学习掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。二、实验仪器：光纤传感实验仪主机（1、反射接收光纤（2、准三维调节架（3。三、实验原理：4A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（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出I ⎧ r2 ⎫00(r,x)0 exp⎨00

⎬ （1）002a2[1(x/a00

)3/2]2

⎩2a2(x/

)3/2]2⎭rA接收光纤等效镜面光纤光源光纤x xA接收光纤等效镜面光纤光源光纤x xIA(x) （a）光纤探头示意图

X（b）等价光纤坐标系统图4光纤反射调制原理图式中I0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；a0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I ⎧r2 ⎫ 2(x)

⎩2(x)⎭I(r,x)式中

(r,x)dsS S

0

ds

（2）0 (x)a(x/a)3/20 这里，S为接收光面，即纤芯端面。

（3）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SI ⎧ r2 ⎫I(r,x)0 exp⎨

2(x) ⎩2(x)⎭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x4（b）调制函数为RSI

⎧ r2 ⎫I(x)0 exp⎨

A 2(2x) ⎩2(2x)⎭对于本系统设计采用的多模光纤，1，光纤芯半径a00.1mm，两光纤间距理论曲线2001501005000123距离45理论曲线2001501005000123距离456光强分布四、实验内容和要求：

图5反射式调制特性曲线1、反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量实验步骤：、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0.1mm左右；LED驱动电流调到指定电流；、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；0.1mm并记录螺5mm；、在坐标纸上作出一条曲线。实验五 微弯式光纤位移传感器微弯式光纤传感器是根据光纤微弯变形引起纤芯或包层中传输的光载波强度变化的原理制成的全光纤型传感器。微弯式传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对纤芯中光强度的变化来实现信号能量的转换；而后者则检测包层中的光信号。本实验就是利用光纤微弯变形引起纤芯中传输的光波强度的变化来实现位移或压力的检测。一、实验目的：1、了解光纤弯曲损耗的机理极其特性；2、学习利用弯曲损耗测量位移的方法；3、学习利用弯曲损耗测量压力的方法。二、实验仪器：光纤传感实验仪主机（1、发射与接收光纤（2、准三维调节架（3。三、实验原理：4（变形器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⎧Asin

z(0

zL)f(z)⎨⎩

0(z

0,z

L)

(1)L是光纤产生微弯的区域，cL2cL2

是其弯曲频率，为其弯曲波长。光纤由于弯A2

cL2 ⎫4式中c称为谐振频率。

⎨ ⎩c⎩

L2 +

⎬ （2）⎭f(z)Z2Af(z)Z2A/2F1（b）图4微弯型光纤传感器原理结构图cc2c

'

（3）c为谐振波长，和为纤芯中两个模式的传播常数，当c

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2 2

（4）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，

c2r20.01则2

1.1mm。

（5）（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c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。四、实验内容及要求：1、微位移测量及微弯损耗特性研究50微米多模光纤，两端分别封装LED光源和PIN光电探测器件用Q9头与光纤传感实验仪相连）放置在微弯变形器中。利用微动调节旋钮（10-5m）PIN20（注意：不要过力压用于微位移检测。利用这条曲线可方便的对光纤微弯损耗的特性进行研究。实验六光纤传感器应用——转速与震动测试实验目的了解传光型光纤传感器的原理及应用。二实验仪器CSY10G三实验原理实验仪中所用的为传光型光纤传感器，光纤在传感器中起到光的传输作用，因此是属于非功能型的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用，其工作原理如图6所示。rA接收光纤等效镜面光纤光源光纤x xA接收光纤等效镜面光纤光源光纤x xIA(x) （a）光纤探头示意图

X（b）等价光纤坐标系统理论曲线200150100500理论曲线2001501005000123距离456光强分布四实验内容

6-2反射式调制特性曲线将光纤、光电变换组件与光纤变换电路相连接。持两端面的平行。Vo旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤端面离开反射叶片，找出最大输出电压值的位置。Fo5VTTLVoFo用示波器或频率计读出电机的转速。Vo实验七 光纤传感器应用——温度测量实验目的了解光纤传感器测温原理及应用。二实验仪器CSY10G型光电传感器系统实验仪，光纤，光电变换组件，光纤变换电路，电压表，热源，位移平台。三实验原理随温度变化。1、将一根光纤插入光电变换块的接收孔，并将端面朝向光亮处，使输出电压Vo变化，确定无误，用紧定螺丝固定位置。2、将光纤探头端面垂直对准一黑色平面物体（黑色橡胶）压紧，此时光电变换器Vo端输出电压为零。3Vo4、将光纤探头靠近热源，打开热源开关，观察随热源温度上升，光电变换器Vo端输出变换情况。5、画出电压输出信号随探头与热源的距离变化关系曲线。实验八 光纤光栅应变传感实验—实验目的1、掌握光纤光栅的原理；4、了解信号检测及信号处理的一般方法。二实验仪器1、光纤光栅应变传感实验仪，2、SYG—E光纤光栅解调实验仪。三实验原理1、光纤布喇格光栅原理光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式祸合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图5.1表示了其折射率分布模型。整个光纤曝光区域的折射率分布可表示为：(1)式中F(r,φ,z）为光致折射率变化函数，具有如下特性：式中a1为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径，相应的n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；△n(r,φ,z）为光致折射率变化；△nmax为折射率最大变化量。现r和φ坐标项，是为了描述折射率分布在横截面上的精细结构。为了给出F(r,φ,z）的一般形式，必须对引起这种折射率变化的光波场进行详尽分析。目前采用的各类写入方法中，紫外光波在光纤芯区沿径向的光场能量分布大致可分为如下几类：均匀正弦型、非均匀正弦型、均匀方波型和非均匀方波型。从目前的实际ZkgZ基于这些考虑，可以采用下列一般性函数来描述光致折射率变化：(2)式中表示由于纤芯对紫外光的吸收作用而造成的光纤横向截面曝光不均Fo(r,φ,zmax＝l,g＝q（如方波分布aq为展开系数；φ(z)为表示周期非均匀性的渐变函数。正因为φ(z)的渐变性，我们可以将它看作一“准周期”函数，对包含有φ(z)的非正弦分布也进行了类似于周期函数的傅里叶展开。可以得到光栅区的实际折射率分布为(3)该式即为光纤布喇格光栅的折射率调制函数，它给出了光纤光栅的理论模型，是分析光纤光栅特性的基础。、光纤布喇格光栅传感原理光纤光栅纤芯中的折射率调制周期由下式给出：λUV由于周期性的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。对于这类调谐波长反射现象的解释，首先由威廉．布拉格爵士提出，因而这种光栅被称为布拉格光栅，反射条件称为布拉格条件。在布拉格光栅中，反射波长由下式给出： (5)对上式取微分可得：(6)因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界应力的变化。图5.2光纤光栅传感原理示意图光纤光栅应变传感器的基本原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长位移△λ，通过监测Bragg波长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅布拉格反射波长移动，由下式给出： λB△λBε是光纤轴向应变，可表示为： ε是个很小的量，为此引入应变量的10-6，με作为光纤光栅度量单位。、光纤布喇格光栅解调原理FBG1FBG2围内漂移，如左图所示；解调光栅的反射谱是相对固定的，传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应的范围内的光波才可能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比．当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是检测光纤光栅FBG1和匹配光纤光栅FBG2两个光谱函数的卷积。随着FBG1上的微扰，在FBG2的反射谱中可检测到相对应的一定光强度的光信号。图5.5光纤光栅解调原理图、应变体及其加载装置实验用应变体可以采用悬臂梁结构，也可采用简支梁结构。悬臂梁一个矩形弹性形变体一端固定，另一端安装一个螺旋测微器，作为加载装置如下图所示：简支梁一个矩形弹性形变体两端固定，中间安装一个螺旋测微器，作为加载装置。如下图所示：四实验内容及操作要点1、将光纤光栅应变传感实验仪活动接头上的陶瓷插针的塑料保护盖拔出；2、取出一片无尘擦拭纸，在纸上滴几滴酒精，擦拭活动接头上的陶瓷插针；3、将活动接头连接到SYG—E光纤光栅解调实验仪的光纤输入插座；413mm5、调节螺旋测微器的读数，每次减小0.25mm，记录螺旋测微器的读数；6SYG—E789、调节光纤光栅应变传感实验仪螺旋测微器的读数，从13mm一直到8mm,从而得到一组数值。10、调节光纤光栅应变传感实验仪螺旋测微器的读数，从8mm逐渐减小到13mm，再得到一组数值。五数据记录及处理.1、将检测所得的数据填入下表13mm）,x2表示光纤光栅解调仪中螺旋测微器的读数，λ表示对应的布拉格波长。2、在平面坐标系上画出λ随x1变化的曲线，并比较所得两组数值。实验九 光纤光栅温度传感实验—实验目的1、掌握光纤光栅温度传感的原理；二实验仪器SYG—WK光纤光栅实验温控器，SYG—E光纤光栅解调实验仪，宽带光源，分路器三实验原理1、光纤光栅温度传感原理当光纤光栅不受应力作用，只是环境温度发生变化时，光纤光栅中心反射波长的变化为式中 =(1/L)(dL/dT)，为光纤的热膨胀系数，=(1/n)(dn/dT)，为光纤的热光系数。由此可见，光纤光栅周围温度的变化可以由光纤光栅布拉格波长的变化来反映，即：k1为温变系数，△T为温度的改变量，△B为布拉格波长的改变量。2、光纤光栅温度传感结构图6.1SYG—WK光纤光栅实验温控器的温控盒中，温控盒中的温度是可变的，而温控盒中温度的变化会导致解调器所检测的布拉格波长发生变化。四实验内容及操作要点1、将光纤光栅感温探头活动接头上的陶瓷插针的塑料保护盖拔出；2、取