光纤传感实验(郑1)

实验1 LED 光源I —P 特性曲线测试
发光二极管简称LED （Lifght Emitting Diode ），是目前比较常用的半导体光源。

它的输出光功率（P ）随驱动电流（I ）的变化而变化。

因此测量LED 光源的I —P 特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。

一、实验原理
1、LED 光源的结构及发光机理
LED 光源是一种固态P —N 结器件，属冷光源，其发光机理是电致发光。

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。

当发光二极管的P —N 结上加有正向电压时，外加电场削弱内建电场，使空间电荷区变窄，裁流子扩散运动加强。

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跃迁，同时电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。

光子能量大小取决于半导体材料的禁带宽度E g (E g ＝E 1－E 0)，能量越大，发出光波的波长就越短，即
g
E hc =
λ （1-1）
其中c 为光速，h 为普朗克常数。

另外，LED 光源发出的光谱有一定的宽度。

这是因为：第一、两个能带都有一定宽度，所以跃迁的起点、终点都有一定范围，导致了光谱具有一定宽度；第二、实际上半导体内的复合是复杂的，除了本征复合（电子直接从导带跃迁到价带，与电子复合，同时发射出光子）之外，还存在导带与杂质能级、价带与杂质能级及杂质能级之间的跃迁。

本实验仪采用的LED 光源中心波长为0.89μm 。

2、PIN 型光电二极管的结构和工作原理
光电二极管通常是在反向偏压下工作的光效应探测器。

光电二极管的基本结构是PN 结。

外加反偏电压方向与PN 结内电场方向一致，当PN 结及其附近被光照射时就产生光生载流子，光生载流子在热垒区电场作用下漂移过结，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也随之变化，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 ＝kU （1-2）
其中P 为光功率，U 为PN 结端电压，k 为比例系数。

本实验所采用的是PIN 型二极管。

它主要由P 区、I 区（本征区）和N 区三部分组成，与简单的光电二极管相比，它增加了一个约10μm 厚的I 区。

I 区相对于N 区和P 区而言是高阻区，外加反向偏压的大部分都落在I 区，这样就加密了耗尽区，增大了光电转换的有效工作区域，提高了灵敏度。

I 层的存在，还可以起到减小结电容、提高响应度等作用。

二、实验仪器
光纤传感实验仪主机(图1)、发射－接收光纤（图２）。

图１光纤传感实验仪示意图
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；
SET；设制键；UP、DOWN－配合PRO设定输出电流上下限；
UL、DL、mA、mV、μW－仪器显示状态指示灯。

图２发射－接收光纤组件
三、实验内容
1、取出发射一接收光纤，将光源端与LED光源的插接座相连，探测器端与PIN探测器的插接座相连。

2、接通电源，LED驱动电流显示窗上将指示出LED的驱动电流值，（单位：mA）。

调整电流调节按键使电流达到最小。

3、每隔2.5mA，对应记录下经光电转换放大后的输出电压值（单位：mV），此电压值正比于光输出功率。

四、数据记录及处理
２、根据数据作LED光源的I－Ｐ特性曲线。

实验2 光纤纤端光场径向、轴向分布的测试
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没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、实验原理
按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布。

叠加后的光纤纤端光场场强沿径向分布可以近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。

另外沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到不透明屏的圆孔表面上，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：
光纤端面：光场由光强沿径向均匀分布的平面波和光强沿径向为高斯分布的高斯光束两部分构成的。

出射光场：纤端出射光场由准平面波场的圆孔衍射和在自由空间中传输的准高斯光束叠回而成。

在以上假设下可推导出理论公式（1）
⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩
⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-
++=2
2022202402222202
02122020)(42exp )4()2()(),(ωωωλπωk z r k k z q a z kr J r a p I z r I （1）
式（1）表明，纤端出射光场场强分布是由不同权重下的高斯分布和平面波场的圆孔衍射分布叠回的结果。

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
ω(z)＝σa 0⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡
+02
/30
)
(
1θψtg a z （2）
实际使用过程中，对于渐变折射率光纤有时取σ＝2－1/2；对于突变折射率分布的光纤通常取σ＝1，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p ≈0，q ≈1。

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
⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩
⎪
⎨
⎧+-⋅+=22/30202222/302020
])/(1[exp ])/(1[c c th a z a r tg a z a I I θξσθξσ （3）
二、实验仪器
光纤传感实验仪主机(图1)、发射反射接收光纤（图2）、接收光纤（图3）、准三维调节架（图4）。

图2 发射反射接收光纤组件
图3 接收光纤组件
图4准三维调节架
三、实验内容
纤端光场径向分布的测试：
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在右；
2、接通电源，将LED驱动是流调到指定电流（10mA）；
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、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主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0.5mm（两光纤探头的间距）停止；
5、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；
6、将两光纤探头的间距调到1.0mm，重复步骤5。

7、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）。

注：（两光纤探头的间距也可自行设定，也可根据需要测出多条实验曲线。

还可以改变LED的驱动电流，然后再作曲线，以获得在不同驱动电流的输出特性。

或根据需要自行设计实验内容。

）
纤端光场轴向分布的测试：
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 在右；
2、接通电源，将LED 驱动是流调到指定电流（10mA ）；
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、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主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5个小格记录电压输出值，直至输出电压变为零。

5、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（数据表格自行设计）。

注：（还可以改变LED 的驱动电流，然后再作曲线，以获得在不同驱动电流下的输出特性。

或根据需要自行设计实验内容。

）
实验3 反射光纤位移传感实验
光纤传感实验义是由多种形式的光纤传感器组成，是集数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工光纤微位移传感器，可用以测量多种可转换成位移的物理量。

一、实验原理
采用的光纤传感器的原理如图1所示。

光纤探头A 由两根光纤组成，一根用于发射光，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（见图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
⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩
⎪
⎨⎧+-
⋅+=22/30202222/302020
])/(1[exp ])/(1[),(a x a r a z a I x r ξσξπσφ （1）
图5 光纤反射调制原理
式中I 0为由光源耦合入发送光纤中的光强；),(x r φ为纤端光场中位置（r,x ）处的光通量密度；σ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，σ＝1；a 0为光纤芯半径；ξ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
⎰⎰⎰⎰
⎭⎬⎫⎩⎨⎧⋅=
s
s
ds x r x I ds x r x r I )(exp )(),(),(222
ωπωφ （2） 式中
])
/(1[)(2
/300a x a x ξσω+= （3）
这里，S 为接收光面，即纤芯端面。

在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端点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
⎭
⎬⎫⎩⎨⎧-⋅=)(exp )(),(2
2
20
x r
x SI x r I ωπω （4） 如图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于探头方向的移动。

设反射面到探头的间距分别为x ，则如图4（b ）所示，光纤探头的调制函数为
⎭
⎬⎫⎩⎨⎧-⋅=)2(exp )2()(2
2
20
x r
x BSI
x I A ωπω （5） 对于本系统设计采用的多模光纤，σ＝1，光纤芯半径a 0＝0.1mm ，两光纤间距r ≈0.34mm ，综合调制参数ξ＝0.026。

其归一化理论曲线如图
二、实验仪器
光纤传感实验仪主机(图1)、发射反射接收光纤（图3）、准三维调节架（图4）。

PRO －编程W －仪器显示状态指示灯。

三、实验内容
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：
（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 驱动电流调到指定是流；
（3）调整纵向微动调节架，交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）沿某纵向远离反射镜的方向旋转微动调节架，每次调节0.1mm 并记录螺旋测微器的读数和电压输出值，直至 。

（5）在坐标纸上作出一条曲线。

2、位移传感标定
由理论曲线可以看出，光纤位移传感器可工作在两个区域，既上升沿（前沿）和下降沿（后沿），前沿工作区的灵敏度高但动态范围小，而后沿工作区灵敏度底而动态范围较大，可视需要而定。

在作为光纤传感器使用时，对传感器要进行标定。

标定方法是：根据调制特性曲线选则线性区，然后在选好的线性区间内给出标定曲线，测试步骤类似于调制特性曲线测试的实验内容。

每隔50μm 记录下输出电压数值，作出光纤探头和反射镜间距与电压输出的特性曲线。

于是，反射镜与光纤探头间的距离可由曲线的多项式拟合出来。

3、实验扩展
将光纤传感器取下，自行设计一个实验，测量一个可转换成位移的其它物理量。

如长度的改变、双金属片随温度的变化、膜片随压力的变化等。

实验4 微弯式光纤压力/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、实验原理：
微弯型光纤传感器的原理结构如图4所示。

当纤发生弯曲时，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A 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，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统弯曲，其弯曲函数为
⎩
⎨⎧><≤≤⋅=),0(0)
0(sin )(L z z L z z A z f ω （1）
式中L 是光纤产生微弯的区域，Λ=/2πω是其弯曲频率，Λ为其弯曲波长。

光纤由于弯曲产生的光能损
耗系数是
⎭
⎬⎫⎩⎨⎧+++--=2/)(]2/)[(2/)(]2/)[(42
L L SIN L L SIN L A a c c c c ωωωωωωωω （2）
式中ωc 称为谐振频率。

图1微弯型光纤传感器原理结构图
βββπω∆='-=Λ=c c /2 （3）
Λc 为谐振波长，β和β'为纤芯中两个模式的传播常数，当ω＝ωc 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
r /2∆=
∆β （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
∆=Λ2/
2r c π （5）
对通讯光纤r ＝25μm ，Δ≤0.01则mm c 1.1~Λ。

（2）式表明损耗a 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Λ的梳妆结构来产生微弯。

按（5）式得到Λc 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。

二、实验仪器
光纤传感实验仪主机(图1)、发射与接收光纤（图2）、准三维调节架（图4）。

三、实验内容
1、微位移测量及微弯损耗特性研究
将微弯变形器嵌入三维微位移调节器上（仪器上已经安装好），被测光纤（采用的是芯径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（即螺旋测微器，最小刻度10-5m ）首先使微弯器与光纤接触，记录此时的PIN 探测信号经放大后的输出电压值，同时记录当前螺旋测微器的示值，然后，每旋进20微米记录一次电压输出值。

（注意：不要过力压迫光纤以免光纤被压断）将所得数据作成曲线，该曲线即可作为微位移测量的标定曲线，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。

2、用光纤传感实验仪实现压力测量的方法之一
实验装置可利用光纤传感实验仪附带的微弯板，根据需要自行设计实验装置来实现压力的检测。

要实现压力的检测，只需将微弯板安装在您所设计的实验装置上，然后进行标定，经标定后的装置既可用于测量压力。