实验5—5 光纤传感器实验
人类进人21世纪，信息传递的方式也在悄然改变。从两根电线传输一路电话到一根光纤传输几十、几百路电话，从海底电缆到欧亚光缆，光纤传递光信息的优点是显而易见的。光在光纤中不断地被全反射传输，免受大气的干扰、散射，衰减大大减少，从而实现上百公里的远距离传输而不需要中间放大器。光纤在信息传输中的应用已为人们所熟知，但将光纤用作传感器却了解不多，该实验将介绍反射式光纤位移传感器，增强对光纤传感器的了解。
光纤传感器是一种新型传感器，随着其技术的日益发展，应用越来越广泛。光纤传感器的机理是外界物理量的变化导致光纤参数的相应改变，例如应力或温度变化时，会引起光纤长度和折射率的变化，从而形成光纤应变或温度传感器。
光纤传感器具有许多优点：重量轻、灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；耐高温、耐化学腐蚀、耐水性好，还能高速率和大容量传输测得的信息，便于测试自动化和远距离传输；光纤传感器可以用于高压、电气、噪音、高温、腐蚀或其他的恶劣环境，并可实现非破坏和非接触测量，而且具有与光纤遥感技术的内在相容性。目前，正在研制中的光纤传感器有磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和压变等类型的光纤传感器。 【实验目的】
1. 了解光纤、光纤传感器的基本概念。 2. 了解反射式光纤位移传感器的基本原理。 3. 测量并绘出输出电压与位移特性曲线。
4. 了解利用反射式光纤位移传感器测量转盘转速和振动频率的工作原理。 【实验原理】
1. 光纤的基本知识 1) 光纤的基本结构
光纤（Optic Fiber）是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂敷层与护套构成，是一种多层介质结构的对称性柱体光学纤维。
光纤的一般结构如图5-5-1所示。纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，其中纤芯是光密媒质，包层是光疏媒质。涂敷层与护套则主要用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。在特殊应用场合不加涂敷层与护套，为裸体光纤，简称裸纤。
根据纤芯与包层的光学折射率沿光纤径向分布不同，光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐
纤芯 包层 涂敷层 护套 图5-5-1 光纤结构示意实验5—5 光纤传感器实验 159
变折射率光纤两类。
2) 光在阶跃光纤中的传播
当光从光密媒质射向光疏媒质，入射角大于临界角时，光线会产生全反射。全反射是光纤的工作基础。
若光线以某一角度进入光纤端面时，入射光线与光纤轴心线之间的夹角?称为光纤端面入射角；光线进入光纤后又折射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角?，如图5-5-2所示。若光线垂直光纤端面射入，并与光纤轴心线重合，该光线将沿轴心线向前传播。若光线不垂直光纤端面射入，由于n1?n2，所以在包层和纤芯之间的界面处有一个产生光全反射的临界入射角?c，与其相对应的，在光纤端面有一个端面临界入射角?c。由光的反射和折射定律可知，?c、?c满足下式：
n0sin?c?n1sin??2??c?，
n1sin?c?n2sin?2?n2
如果某一斜射光线，它在端面的入射角???c，如图5-5-2中的实光线所示，进入光纤后，折射到纤芯与包层界面的入射角???c，满足全反射条件，则该光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，入射光就从光纤的一端传到另一端。对于端面入射角
???c的入射光，因在纤芯与包层界面上的入射角???c，就有部分光折射入包层，如图
5-5-2中虚光线。这部分光在光纤中传输，不断折射损耗，基本都折射进包层，被包层所吸收。
n2 n0 θ φ n1 包层 纤芯 图5-5-2 光在阶跃光纤中传输
所以，只要在光纤端面的入射角在???c范围内的光线，都可以在光纤中被无数次的全反射在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端传出，这就是光纤的传光原理。
光纤的临界入射角?c的大小是由光纤本身性质决定。
2NA?sin?c?n12?n2
由上式可知，?c的大小由光纤本身的折射率n1、n2所决定。式中NA称为光纤的数值孔径，常用数值孔径这一量来表达光纤能接收光信号的难易程度。
正由于光纤具有这种良好的传光性能，以及光纤本身是不带电的绝缘体，具有抗电磁干
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扰、抗辐射的性能，特别适用于可燃、易爆等恶劣环境下使用；另外由于纤细、质轻、柔软、可塑性强，适于小孔、缝隙等场合使用。因此，应用光纤作为传光的媒质，含有“感知”和“传输”外界被测信号两种功能的光纤传感技术，一问世就受到极大的重视。
2. 光纤传感器概述
利用光纤技术和有关光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的器件或装置称为光纤传感器。光纤传感器基本上由光源、光学敏感元件、光导纤维、光检测器和信号处理系统等部分组成。
光纤传感器的分类方法很多，以光纤在系统中的作用，可分为功能型光纤传感器（传感型）和非功能型光纤传感器（传光型）。功能型光纤传感器是以光纤本身作为敏感元件，光纤本身的某些光学特性（如光的强度、相位、偏振和频率等）被外界物理量所调制来实现测量。非功能型光纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量，光纤仅作为传播光线的介质。
光纤传感器的基本工作原理是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的温度、波长（颜色）、频率、相位或偏振态发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器，经解调而获得被测参数。
3. 光纤位移传感器的工作原理
位移是既容易测量又易于获得高精度检测的基本物理量之一，压强、振动、加速度等物理量都可转换成位移进行检测，所以位移传感器是基本传感器，下面介绍一种强度型反射式光纤微小位移传感器的原理。
图5-5-3是反射式光纤位移传感器的光路结构示意图。两光纤臂组成Y型传感探头。其中一臂为发射光纤，将光传至反射目标，另一臂为接收光纤，接收由目标反射回的反射光，并传给接收的光敏元件。光敏元件接收到的光强取决于反射目标与光纤探头间的间距d，反射面的反射率，及光纤探头的结构。在一定的条件下，光敏元件接收光强仅与距离d有关，所以通过检测反射光强来测定位移。其基本响应曲线如图5-5-4 所示，曲线有一峰值，峰值的前沿很陡，近似呈线性，后沿变化比较缓慢与1d近似成正比。应用几何光学的理论对曲线很容易理解。
如图5-5-5 (a)所示，设光纤芯径
图5-5-4 位移—输出电压特性曲线 位移 2光源 发射光纤束 探头顶端 被测物体 光敏 元件 接收光纤束 被测距离 图5-5-3 反射式位移光纤传感器原理图 输出电压光峰 前坡后坡 实验5—5 光纤传感器实验 161
为r，发射光纤的射出光束在光顶角为?（??2arcsinNA）的某一光锥内，?大小是由光纤的数值孔径NA决定的。设输入、输出光纤间距为a，则根据镜像法，接收光纤所接收到的反射光，相当于来自镜后d处虚发射光纤所发出的光。因而确定调制响应，等效于计算虚发射光纤与接收光纤之间的耦合。
反射面 发射光θ R a a 2r 接收光d d 图5-5-5 2r (a) (b) 反射光斑的面积为?R，其中：R?r?2dtan?。设光纤间距为a，由此可知当
2R?a?r即d?a(2tan?)时，没有反射光耦合进接收光纤。当a?r?R?a?3r即a(2tan?)?d?(a?2r)(2tan?)范围内，接收光纤与从虚光纤发出的光锥底端相交，耦
合进接收光纤的光通量由虚光纤发出的光锥底面的大小及该光锥底面与接收光纤截面相重叠部分的面积（图5-5-5(b)中的阴影部分）所决定。随着d的增加，光锥底面增大变化率小于重叠面积增大变化率，说明接收光通量增加，所接收到的反射光强随d的增大而增强，经信号处理系统处理后的输出电压也在增大。当两者变化率相等时，接收到的反射光强达到一个峰值，输出电压达到最大值。当d再增加时，光锥底面增大变化率大于重叠面积增大变化率，此时所接收光通量减小，即接收到的反射光强随d的增大而减小，输出电压也在减小。当
R?a?3r时，随着R的扩大，反射光斑的面积也在扩大，接收到的反射光强占反射光斑的
2比例随1R减小。因此，反射光强P随光纤与反射目标间距d的曲线如图5-5-4所示；这就
是反射式强度调制传感原理的特性曲线。根据其特性，应用曲线的前沿范围，可以设计灵敏度高、线性好的传感器；应用曲线的后沿范围，可以设计动态范围较大的传感器。
光纤传感器探头 光纤传感器探头 反射片 反射片 振动片 ω 转动圆盘 图5-5-6 光纤振动传感器原理图 4. 光纤振动传感器工作原理
图5-5-7 光纤转速传感器原理图 162 大学物理实验
光纤振动传感器是利用光纤传感器的探头，将反射膜片粘在振动片上，当光源发出的光由发射光纤传输并投射到振动片上反射镜片的表面，然后反射，由接收光纤接收并传回光敏元件；当反射膜片随振动而位置发生变化时，则输出信号也发生变化，若振动是周期性变化，则输出信号也是周期性变化。根据位移—输出电压特性曲线，适当选取光纤探头的发射片的起始位置，就可正确测量出振动频率。
5. 光纤转速传感器工作原理
光纤转速传感器也是利用光纤传感器的探头，将反射膜片粘在转动盘片上，当光源发出的光由发射光纤传输并投射到转盘反射镜片的表面，然后反射，由接收光纤接收并传回光敏元件；当反射膜片随转动台旋转时，位置发生变化时，则输出信号也发生变化，其变化周期就是转动周期，由此也可测量角速度。 【实验仪器】
光纤传感器实验仪。 【实验内容与步骤】
1. 位移—输出电压特性曲线的测量
1） 安装位移传感器。将光纤探头插入至推不动为止并固定，同时将显示测量转换开关置于电压测量档，连接信号线，检查其显示是否正常。
2） 粗测。测量出输出电压的初始值、最大值和尾值，并读出其对应的千分尺的刻度值。 （注：输出电压的初始值不一定为零；千分尺的刻度值也不一定为零。）
3） 准确测量。根据粗测值确定合适的步长，前后坡各测10个点左右，记录下输出电压值及其对应的千分尺的刻度值，并填入自行设计表格中。
4） 根据测量数据，选择合适的坐标，在坐标纸中画出位移—输出电压特性曲线。 2. 振动频率测量
1） 安装位移传感器，将光纤探头插入振动测量架，并对准振动架反射面中心，调节探头到反射面的距离。
2） 将显示测量转换开关置于频率测量档，连接信号线，检查其显示是否正常。 3） 调节振动源的输出频率并测量，比较测量值和设定值。 3. 转速测量
1） 安装位移传感器，将光纤探头插入转速测量架，调节探头到和转盘表面的距离。 2） 将显示测量转换开关置于频率测量档，连接信号线，检查其显示是否正常。
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