光纖端面光場分布測量與反射式光纖位移傳感實驗

1、實驗一光纖纖端光場分布的測試隨著光纖通信技術的發(fā)展，派生出了光纖傳感技術，并且取得了快速的發(fā)展， 光纖傳感器已經在民用工程、航空航天和國防等領域得到了廣泛的應用。就外部 調制型光纖傳感器而言，如反射接收型、直接入射型和光閘型等，一般由入射光 源光纖、調制器件以及接收光纖組成。其中接收光纖所收集到的光強隨外界物理 擾動而變化，其光強響應特性曲線是這類傳感器的設計依據，大多與光纖出射的光場相關。因此，光纖出射光場的場強分布對于這類傳感器的分析和設計至關重 要，光纖纖端光場的分布是反射式光纖傳感實驗的基礎。通過纖端光場分布的測 量可以給使用者以直觀的印象，并且對光纖傳光特性有一定的定性和定量的掌 握

2、；同時，它的測量涉及到光纖傳感器的設計、使用方法等基本問題，具有重要 意義。一、預習重點（1）光纖無源器件的結構組成與操作；（2）光纖的傳光特性、光纖傳輸的模式理論。二、光纖纖端光場徑向分布和軸向分布的測試（一）實驗目的了解“光纖傳感實驗儀”的基本構造和原理，熟悉其各個部件、學習和 掌握其正確使用方法；定性了解光纖纖端光場的分布，掌握其測量方法、步驟及計算方法；測量一種光纖的纖端光場分布，繪出纖端光場分布圖。（二）實驗儀器光纖傳感實驗儀主機（如圖1所示）、接收光纖（如圖2所示）、發(fā)射光纖（如圖 3所示）、準三維調節(jié)架（如圖4所示）。 iLED 光源輸出插座；PIN 光探測器輸入插座；AUTO

3、自動步進鍵；PRO編程控制鍵；UP、DOWN 配合PRO設定輸出電流上下限；SET 設置鍵；UL、DL、mA、mV、pW 儀器顯示狀態(tài)指示燈圖2反射接收光纖組件PIN黑色透射接收光纖圖3發(fā)射接收光纖組件圖4二維調整架（三）實驗原理 按照光纖傳輸的模式理論，在光纖中光功率按模式分布。疊加后的光纖纖端 光場場強沿徑向分布可近似由高斯型函數描寫，稱其為準高斯分布。另外沿光纖傳輸的光可以近似看作平面波，此平面波在纖端出射時，可等價為平面波場垂直 入射到步透明屏的圓孔表明上，形成圓孔衍射，實際情況接近于兩者的某種混合。 為方便分析起見，作以下兩點假設：光纖端面：光場是由光強沿軸向均勻分布的平面波和光強沿

4、徑向為高斯 分布的高斯光束兩部分構成的；出射光場：纖端出射光場由準平面波場的圓孔衍射和在自由空間中傳輸 的準高斯光束疊加而成。在以上假設下可推導出理論公式：l(r, z=l*p2 2 一22Woq 2224 e)p22 44z k w0 L 4z k w02k* 1 2 3 4 5w；r2(1)上式表明，纖端出射光場場強分布是由不同權重下的高斯分布和平面波場的圓孔 衍射分布疊加的結果纖端光場既不是純粹的高斯光束，也不是純粹的均勻分布的幾何光束， 為了 更好地與實際情況符合，在此綜合這兩種近似情況，并引入無量綱調合參數 g 可以給出如下結果：實際使用過程中，對于漸變折射率光纖有時取尸2-1/2

5、;對于突變折射率分布的2ao光纖通常取 尸1,對于芯徑較粗的多模光纖而言，衍射效應基本上被平均化了， 即取p-0, q-1。因而對于大芯徑多模光纖，為了使用方便，式 （1）通常取如下 形式：旋轉一點， 記錄螺旋測微器的讀數， 繼續(xù)向該方向旋轉， 每轉過 5 個小格記錄電 壓輸出值，直至電壓再次變?yōu)榱?；將兩光纖探頭的間距調到1.0mm,重復步驟5;實驗數據及數據處理：在同一坐標紙上作出兩條曲線 （數據表格自行設計 ）。*注：兩光纖探頭的間距也可自行設定,也可根據需要測出多條實驗曲線。 還可以改變 LED 的驅動電流,然后再作出曲線,以獲得在不同驅動電流下的輸 出特性?；蚋鶕枰孕性O計實驗內容。

6、n測試光纖纖端光場的軸向分布：將光源連接到縱向微動調節(jié)架上,探測光纖連接到橫向微動調節(jié)架上,并使兩光纖探頭間距調到約1mm左右；接通電源,將 LED 驅動電流調到指定電流 40mA；調整橫向微動調節(jié)旋鈕和光纖卡具并觀察電壓輸出使之輸出最大,此時 可認為入射光纖和出射光纖已對準；調整縱向微動調節(jié)架,將探測光纖推進到與光源光纖即將接觸的位置記錄下螺旋測微器的讀數,然后將縱向微動調節(jié)架向相反的方向旋轉,每轉過5個小格記錄電壓輸出值,直至輸出電壓變?yōu)榱悖粚嶒灁祿捌涮幚恚涸谧鴺思埳献鞒隼碚撉€和實驗曲線。*注：還可以改變電流 LED 的驅動電流,然后再作出曲線,以獲得在不同驅 動電流下的輸出特性。實驗

7、二反射式光纖位移傳感的實驗研究光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕；靈敏度高；重量輕、體積小、 外形可變；測量對象廣泛；對被測介質影響小；便于復用，便于成網；成本低等 特點，在民用工程、航空航天和國防等領域得到了廣泛的應用。反射式光纖位移 傳感器使一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光的作用，光纖分為輸入光 纖（發(fā)送光纖）和輸出光纖（接收光纖）。在實驗過程中，采用光纖傳感實驗儀構成 反射式光纖位移傳感器，可用以測量多種可轉換成位移的物理量。一、預習重點（1）光纖無源器件的結構組成與操作；（2）光纖的傳光特性、光纖傳輸的模式理論。（3）光纖傳感器的定義及其分類。二、實驗內容（一）實驗目的了

8、解“光纖傳感實驗儀”的基本構造和原理，熟悉其各個部件、學習和 掌握其正確使用方法；了解一對光纖（一個發(fā)光、一個接收光）的反射接收特性曲線；學習掌握最簡單、最基本的光纖位移傳感器的原理和使用方法。（二）實驗儀器光纖傳感實驗儀主機（如實驗一的圖1所示）、反射接收光纖（如實驗一的圖2 所示）、準三維調節(jié)架（如實驗一的圖4所示）。（三）實驗原理采用的光纖傳感器的原理如圖1所示。光纖探頭A由兩根光纖組成，一根 用于發(fā)射光，一根用于接收反射鏡反射的光， R是反射鏡。系統可工作在兩個區(qū) 域中，前沿工作區(qū)和后沿工作區(qū)（如圖2所示）。當在后沿區(qū)域中工作時，可以獲 得較寬的動態(tài)范圍。接收光纖等效鏡面光纖（a）光纖

9、探頭示意圖圖1光纖反射調制原理圖（b）等價光纖坐標系統就外部調制非功能型光纖傳感器而言，其光強響應特性曲線是這類傳感器的 設計依據。該特性調制函數可借助于光纖端出射光場的場強分布函數給出：r,x =J.式中，0是由光源耦合入發(fā)送光纖中的光強；gr, x)是纖端光場中位置(r, x)處的光通亮密度；c是表征光纖折射率分布的相關參數， 對于階躍折射率光纖， 尸1; ao是光纖纖芯半徑；E是與光源種類、光纖的數值孔徑及光源與光纖耦合情況有 關的綜合調制參數。光強分布200500 12345距離(mm)圖2反射式調制特性曲線50001 1所接收到(1)1 0dsS為接收光纖端面，即纖芯端面w2 xI

10、r, x 二S I。二 w2 xexP K)如果將同種光纖置于發(fā)送光纖纖端出射光場中作為探測接收器時, 的光強可表示為：I r, x 二 r, x ds = !ss在纖端出射光場的遠場區(qū)，為簡便計算，可用接收光纖端面中心點處的光強 作為整個纖芯面上的平均光強，在這種近似下，得到在接收光纖終端所探測到的 光強公式：如圖4所示的光纖傳感頭，當光纖傳感器固定時，反射器可在光纖探頭前作 垂直于探頭方向的移動。設反射面到探頭的間距分別為 x，貝U如圖1(b)所示，光 纖探頭的調制函數為：Iax 二 R S J0w2 2x對于本系統設計采用的多模光纖，尸1,光纖纖芯半徑ao= O.m m,兩光纖間距r0.

11、34mm,綜合調制參數 ,0.026。其歸一化理論曲線如圖2所示。操作步驟和要求反射式光纖位移傳感器的調制特性曲線的測量實驗步驟：將反射式光纖探頭連接到縱向微動調節(jié)架上,對準反射器并使光纖探頭 與反射鏡間距調到約0.1mm左右；接通光源,將 LED 驅動電流調到指定電流；調整縱向微動調節(jié)架,將探測光纖推進到與反射鏡表面即將接觸的位置 記錄下螺旋測微器的讀數,然后停止；沿某縱向向遠離反射鏡的方向旋轉微動調節(jié)架， 每次調節(jié)0.1mm并記錄 螺旋測微器的讀數和電壓輸出值,直至 5mm；在坐標紙上作出一條曲線。位移傳感標定由理論曲線可以看出,光纖位移傳感器可工作在兩個區(qū)域,即上升沿(前沿)和下降沿 (

12、后沿),前沿工作區(qū)的靈敏度高但動態(tài)范圍小,而后沿工作區(qū)靈敏度低 而動態(tài)范圍較大, 可視需要而定。 在作為光纖傳感器使用時, 對傳感器要進行標 定。標定方法是：根據調制特性曲線選擇線性區(qū), 然后在選好的線性區(qū)間內給出 標定曲線，測試步驟類似于調制特性曲線測試的實驗內容。每隔50口記錄下輸出電壓數值, 作出光纖探頭和反射鏡間距與電壓輸出的特性曲線。 于是, 反射鏡 與光纖探頭間的距離可由曲線的多項式擬合出來。3. 實驗擴展將光纖傳感器取下， 自行設計一個實驗， 測量一個可以轉換成位移的其他物 理量。如長度的改變、雙金屬片隨溫度的變化、膜片隨壓力的變化等。2 exptgc（四）操作步驟及其數據處理I測試光纖纖端光場的徑向分布：1.將光源光纖連接到縱向微動調節(jié)架上，探測光纖連接到橫向微動調節(jié)架 上，并使兩光纖探頭間距調到約1mm左右