光纤压力与位移传感特性
刘闯2015301020059
摘要：结合光纤传感试验仪的应用，研究光纤传感领域中的光纤透射技术，反射技术以及微弯损耗技术，具体可以进行光源特性测试，光纤反射，光纤透射特性测试
Abstract:Combined with the application of optical fiber sensor tester, the research on optical fiber transmission technology, reflection technology and micro-bending loss technology in the field of optical fiber sensing can be used to test the characteristics of light source, fiber reflection and fiber transmission.
1 引 言：
光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源 环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、 位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、电流、电压、磁 场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
2 实验仪器
光纤传感实验仪是在光纤传感领域中的光纤透射技术，反射技术及微弯损耗技术等基本原理的基础上开发而成的，由光纤传感实验仪主机，LED 光源、发射光纤，PIN 光电探测器、接收光纤、三维微位移调节器、反射器。微弯变形器等组成的实验系统。如图1所示。
光纤传感实验仪包括四部分：
1．光纤传感实验仪主机。其功能是：为LED 光源提供驱动电流；完成光电转换及放大作用，并输出电信号。
2．三组光纤及探头：反射式发射光纤及探测接收光纤； 透射式探测接收光纤；微弯式发射一接收光纤
3．三维微位移调节器。用以固定光纤探头，实现微位移定量调节（精度为0.01mm）
4．反射器和微弯变形器，配在三维微位移调节器上。
3实验原理
1出射光场的场强分布
1对于多模光纤来说，光纤端出射光场的场强分布由(1)式给出：
(1)
(1)式中为由光源耦合进入发送光纤中的光强；为纤端光场中位置处的光通量密度；为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃光纤； 为光纤芯半径，ζ 为与光源种类及光源跟光纤糯合情况有关的调制参数；θc 为光纤的最大出射角。
2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(2)式
(2)
其中，S 为接收光面，即纤芯面。
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(3)：
(3)
2透射调制方式
最简单的透射式强度模拟调制光纤传感原理如图2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。
透射型调制方式的分析较简单。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写，其光场分布坐标如图所示。当接收光纤置于发送光纤纤端光场中时，所接收到的光强可近似地由给出。
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(如r=0)，则可得到纵向位移传感特性函数，如图2所示。
2.反射调制方式
由于反射调制式光纤传感器具有准确、简单、价格低廉等优点，对于传感器的广泛应用特具魅力。这种传感器通常由两根光纤组成，一根光纤把光传送到反射体，另一根光纤接收反射光并把光传到探测器。检测到的光强取决于反射体和探头之间的距离，如图3所示。
双纤式是最基本的反射调制方法，其坐标分析系统如图3 所示。在分析过程中，采用等效分析法。首先，画出接收光纤关于反射体的镜像。然后利用透射分析法，直接计算出该镜像接收光纤在发送光纤纤端光场中所接收到的光强值。最后，将该光强值乘以反射体的反射率R，作为实际系统的等效结果。图3所示的反射调制系统中，其接收光纤等效坐标位置为。这里，d为发送光纤轴心到反射接收光纤轴心间的距离，将其代入，并乘以反射率R有
(4)
3.微弯调制方式
微弯损耗是由光纤的空间状态变化，导致光纤中的模间藕合所引起的。利用光纤传感实验仪所提供的微弯损耗调制器来产生一种受控损耗，可以精确地把光纤输出信号与引起光纤微弯器件的位移联系起来。
微弯型光纤传感器的原理结构如图 4 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，造成纤芯中的光能损耗。为了扩大这种效应，我们把光纤夹持在一个周期波长为Λ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
3 实验1——LED光源I-P特性曲线
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，并使光纤探头间距调到约 1mm 左右；
2、接通电源，将LED 驱动电流调到合适电流；
3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大，此时可认为入射光纤和出射光纤已对准；
4、将驱动电流调为0mV，记录输出电压，逐渐增加驱动电流（如每次增加2mA），直到驱动电流为18mA左右。并记录输出电压，此电压正比于功率，所以做出相应的I-U图,如图5。
图5
4 实验2——光纤纤端光场径向分布
基本实验
1.调整入射光纤和出射光纤已对准（见实验一）；
2.调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数
3.沿某一方向旋转横向微动调节架，直至输出电压为零，再向相反的方向旋转一点，记录螺旋测微器的读数，继续向该方向旋转，每转过 5 个小格记录电压输出值，直至电压再次变为零； 得到数据，利用MATLAB拟合绘图，得到图6
4.将两光纤探头的间距调到 0.5mm，重复步骤3,得到数据，利用MATLAB拟合绘图7
图6
图7
延伸
1.将两张图放在一起比较，如图8
图8
2.两根光纤进行对接时候，存在机械对准误差，误差将产生光功率的耦合损耗。如图9 为三种典型的机械对准误差
图9
3.可知轴向对准误差 对应于径向光场分布 利用MATLAB进行模拟
t=0:0.1:2;
%计算耦合效率
eta=2/pi*acos(t/2)-t/pi.*sqrt(1-(t/2).^2);
plot(t,eta)
4.可以得到图10 与径向光场分布趋势相同。
图10
5 实验3——光纤纤端光场轴向分布
1.调整入射光纤和出射光纤对准（见实验二）；
2.调整纵向微动调节架，将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数，然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转，每转过10个小格记录电压输出值，直至输出电压变为零。得到图11
3.对比图2理论图线，趋势相同
图11
6 实验4——反射式光纤位移传感
1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射镜间距调到约 0.1mm 左右；
2接通电源，将LED 驱动电流调到指定电流；
3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；
4沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节0.2mm 并记录螺旋测微器的读数和电压输出值，直至 7mm 得到图12.
5对比图3理论曲线 可知趋势一致。
图12
7 实验5——微弯式光纤位移传感器
1.将微弯光纤放在微动调节架上 等待稳定，由于微小扰动对光纤影响较大，所以固定光纤，如图13,用胶带固定两端
图13
2.每隔0.5mm记录电压值（移动后立刻测量读数）
3.重复1，每隔0.5mm记录电压值（等待电压稳定或基本稳定时读数）
4.如图14，可知 是否等待电压稳定 对结果影响不大
5.注意！ 不可压到底，避免压断光纤
图14
8 结论
本文通过对光源特性测试，光纤反射，光纤透射特性测试等研究发现：
1.LED光源功率与电流近与正比关系
2.光纤纤端径向光场分布近似于高斯分布（高斯函数2介拟合）
3.反射式光纤测量，光纤接受 有先小后大后小的过程，存在峰值
4.光线微弯时产生损耗，位移与损耗成正比，但不是线性关系，在某一个小区域可以近似认为线性，可用来测量。
参考文献
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