光纤传感实验讲义
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。
光纤传感应用综合实验讲义
光纤传感应用综合实验
GCFS-B
实
验
讲
义
武汉光驰科技有限公司
Wuhan Guangchi Technology Co.,LTD
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目录
光纤端场传感实验的理论基础 (4)
实验一、LD光源的P-I,V-I特性曲线 (12)
实验二、透射式横(纵)向光纤位移传感（光纤数值孔径测量）15实验三、反射式光纤位移传感（光纤液位测量） (22)
实验四、微弯式光纤位移/压力传感 (28)
实验五、光纤端场角度传感 (33)
实验六、光纤温度压力传感（传光型） (37)
实验七、光纤火灾预警系统实验 (40)
实验八、光纤照明实验系统设计 (45)
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前言
光纤是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，而光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的.在光通信系统中,光纤被用作远距离传输光波信号的媒质,显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度,压力,电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强,相位,频率,偏振,波长等的变化.因而,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术.
光纤传感器始于1977年，与传统的各类传感器相比有一系列的优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好,防爆,光路有挠曲性,便于与计算机联接,结构简单,体积小,重量轻,耗电少等.
光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型.功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,所以也称为传感型光纤传感器,或全光纤传感器.非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为传输介质,传输来自远外或难以接近场所的光信号,所以也称为传光型传感器,或混合型传感器.
物理实验技术中如何进行光纤传感实验
物理实验技术中如何进行光纤传感实验
随着科技的飞速发展，光纤传感技术成为了当前研究的热门领域。光纤传感技
术利用光纤作为传感器，通过检测光信号的变化来获得被测物理量的信息。本文将探讨物理实验技术中如何进行光纤传感实验，并介绍一些常见的光纤传感实验技术。
首先，进行光纤传感实验需要一套完整的光纤传感系统。该系统一般包括光源、光纤、光纤传感器、光电转换器等组件。光源可以是激光器、LED等，其作用是
提供光信号。光纤作为信息传输的通道，被测物理量的变化会导致光信号的改变，从而通过光纤传输到光电转换器，最后转化为电信号进行处理和分析。
在实验中，使用不同类型的光纤传感器可以实现对不同物理量的测量。例如，
光纤光栅传感器可以用于测量温度和应力变化。其工作原理是将光纤制成光栅结构，在光信号中产生一定的衍射效应，当光纤受到温度或应力的变化时，光栅结构也会发生相应的变化，使得光信号发生频移，进而实现对温度和应力的测量。此外，还有光纤法布里-珀罗传感器、光纤微弯传感器、光纤全息传感器等，它们分别利用
光纤的不同特性进行物理量的测量。
在进行光纤传感实验时，需要注意一些实验技术细节。首先，光纤传感器的布
置和安装要合理。光纤的长度、形状和环境对测量结果有重要影响，因此需要根据具体实验要求进行合理的设计和安装。其次，光纤传感器应与光纤传感系统的其他部分进行良好的耦合。在接触点处应保持良好的光学接触，避免信号损耗和干扰。另外，还要进行必要的校准和标定，以确保测量结果的准确性和可重复性。
除了常见的光纤传感器，还有一些新兴的光纤传感技术值得关注。例如，基于
光纤传感器实验报告(1)
光纤传感器实验报告（1）
实验报告评分：
09 级 6 系姓名：安森松学号: P
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实验题目：光纤传感器
实验目的：
掌握干涉原理，自行制作光线干涉仪，使用它对某些物理量进行测量，加深对光纤传感理论的理解，以受到光纤技术基本操作技能的训练。
实验仪器：
激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，宝石刀，激光功率计，五位调整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD及显示器，等等
实验原理：（见预习报告）
实验数据：
光纤传感实验（室温：24.1℃）
（1）升温过程
右移条纹数
+0
+3
+6
+9
+12
+15
+18
温度示数（℃）
26.1
28.6
29.1
29.6
30.1
30.7
31.2
右移条纹数
+21
+24
+27
+30
+33
+36
+39
温度示数（℃）
31.7
32.2
32.8
33.4
33.9
34.6
35.2
（2）降温（2）降温过程
左移条纹数
-0
-3
-6
-9
-12
-15
-18
温度示数（℃）
36.1
35.9
35.6
35.3
34.9
34.6
34.1
左移条纹数
-21
-24
-27
-30
-33
-36
-39
温度示数（℃）
33.7
33.3
32.9
32.4
32.0
31.6
31.2
2．测量光纤的耦合效率
在光波长为633nm条件下，测得光功率计最大读数为712.3nw。
数据处理：
一．测量光纤的耦合效率
在λ=633nW，光的输出功率P1=2mW情况下。在调节过程中测得最大输出功率P2=712.3nW
代入耦合效率η的计算公式：
η=P1P2×100
二．光纤传感实验
1.升温时
利用Origin作出拟合图像如下：温度/℃条纹数由上图可看出k=5.49±0.06
光纤传感技术课件：偏振态调制型光纤传感器
偏振态调制型光纤传感器
6.1 偏振态调制型传感原理 6.2 偏振态调制光纤传感器应用实例
1
偏振态调制型光纤传感器
6.1
偏振态调制型光纤传感器是有较高灵敏度的检测装置。 它比高灵敏度的相位调制光纤传感器的结构简单且调整方便。 偏振态调制型光纤传感器通常基于电光、 磁光和弹光效应， 通过敏感外界电磁场对光纤中传输的光波的偏振态的调制来检 测被测电磁场参量。 最为典型的偏振态调制效应有Pockels效 应、 Kerr效应、 Faraday效应， 以及弹光效应（原理介绍详见 第一章1.3.4节）。
13
偏振态调制型光纤传感器
当电极上加外电场时， 有光通过检偏镜， 克尔盒呈开 启状态。 若在两极上加电压U， 则由感应双折射引起的两 偏振光波的光程差为
(6.1-9)
14
偏振态调制型光纤传感器
图6-1 克尔调制器装置图
15
两光波间的相位差则为
偏振态调制型光纤传感器
(6.1-10)
式中： U是外加电压， l 是光在克尔组件中的光程长度， d 是两极间距离， k是克尔常数。
Pockels效应使晶体的双折射性质发生改变， 这种变化理 论上可由描述晶体双折射性质的折射率椭球(或光率球体)的变 化来表示， 以主折射率表示的折射率椭球方程为
8
偏振态调制型光纤传感器
物理实验技术中的光纤传感实验的操作指南
物理实验技术中的光纤传感实验的操作指南光纤传感实验操作指南
介绍：
光纤传感实验是一项在物理实验技术中广泛应用的重要实验之一。它利用光纤作为传感元件，通过光纤中的光信号来测量并监测环境中的各种物理量。本文将为大家详细介绍光纤传感实验的操作指南，帮助大家更好地掌握这项实验技术。
材料准备：
1. 光纤传感器：可选择不同类型的光纤传感器，如光纤布拉格光栅传感器、光纤拉曼散射传感器等。
2. 光源：选用适当波长的光源，如激光二极管、光纤光源等。
3. 光纤连接器：根据实验需要选择不同类型的光纤连接器。
4. 仪器设备：光纤测量设备、光功率计等。
实验步骤：
1. 准备工作
a. 清洁光纤：用洗净的酒精棉球轻轻擦拭光纤端面，确保光纤表面无灰尘和杂质。
b. 连接光纤：根据需要，使用光纤连接器将光纤连接到光纤测量设备和光源上。
c. 打开设备：打开光源和光纤测量设备，确保设备正常工作。
2. 测试光纤传感器
a. 设置光纤测量设备：根据光纤传感器的特性，设置光纤测量设备的参数，如波长、测量范围等。
b. 测试信号：通过光源发出信号，并通过光纤传送到光纤传感器上。
c. 测量数据：使用光功率计等设备，测量传感器输出的光信号强度，并记录相关数据。
d. 分析结果：根据测量结果，分析传感器对不同物理量的响应特性。
3. 环境监测实验
a. 确定监测目标：选择需要监测的环境物理量，如温度、压力、湿度等。
b. 选择传感器：根据监测目标，选择适合的光纤传感器。
c. 搭建实验装置：根据传感器的特性和环境条件，设计合适的实验装置。
d. 进行测量：根据实验装置，将传感器与被测量对象连接起来，并记录测量数据。
光纤传感基础实验数据
光纤传感基础实验数据
光纤传感是一种利用光纤作为传感元件的技术，在现代通信和传感领域具有广泛的应用。光纤传感基础实验是学习光纤传感原理和技术的重要环节，通过实验可以获取光纤传感的基础数据，进一步理解光纤传感的工作原理和性能特点。
一、实验目的
光纤传感基础实验的主要目的是通过测量和分析，获取光纤传感的关键性能指标，包括传感器的灵敏度、分辨率、线性度、动态范围等。通过实验数据的获取和分析，可以评估光纤传感器的性能，为后续的应用和研究提供依据。
二、实验装置
本次实验使用的光纤传感装置主要包括光源、光纤传感器、光纤连接线和光功率计。光源产生光信号，经过光纤传输到光纤传感器，传感器将光信号转换为电信号并输出，光功率计用于测量光信号的功率。
三、实验步骤
1. 连接光源和光纤传感器：将光源的输出端口与光纤连接线相连，再将光纤连接线的另一端连接到光纤传感器的输入端口。确保连接牢固，避免光信号损失。
2. 连接光纤传感器和光功率计：将光纤传感器的输出端口与光纤连
接线相连，再将光纤连接线的另一端连接到光功率计的输入端口。确保连接牢固，避免光信号损失。
3. 设置光源功率：调节光源的功率，使其输出符合实验要求。根据具体实验需求，可以调节光源的功率大小，观察其对光纤传感器输出的影响。
4. 测量光纤传感器输出：使用光功率计对光纤传感器输出的光信号进行测量，记录测量值。通过改变光源功率或其他实验参数，可以获得不同的光纤传感器输出数据。
5. 分析实验数据：根据测量数据，计算光纤传感器的灵敏度、分辨率、线性度等关键性能指标。通过对数据的分析，评估光纤传感器的性能。
光纤传感实验报告
实验一 LD光源的P-I特性曲线
本实验将所测电流数据作为横坐标，功率作为纵坐标，利用MATLAB编程，得到下图所示的P-I曲线：
实验结果分析：
通过比较在不同步长下的P-I特性曲线，我们发现，步长越小，曲线越趋于直线，即相对精度越高。同理，步长越大，曲线失真度越严重。
实验二透射式横（纵）向光纤位移传感本实验采用发射光纤不动，接收光纤移动的办法，实现光纤被横向位移和纵向位移调制。当z固定时，得到的是横向位移传感特性参数，当r取定（r=0）,则得到纵向位移传感特性函数。
下图是光纤芯径-相对光强图和强度调制图：
上图（1），纵坐标为相对光强，横坐标为r/D. D为光纤直径,其值为D=0.5nm
上图（2），纵坐标为相对光强，横坐标为z.
实验三反射式光纤位移传感
本实验是利用光纤传感实验系统构成的反射式光纤位移传感器，对微小位移量进行测量。
下图是反射式调制特性曲线图：
实验结果分析：
本实验由发射光纤发出的光照射到反射材料上，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移。
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
强度调制型光纤传感器
图3-1 强度调制型光纤传感原理图
3
强度调制型光纤传感器
一般情况下， 强度调制型光纤传感器的价格要比干涉类 型光纤传感器少一个数量级； 在各种调制方式中， 强度调制 型光纤传感器约占其中的30%。 强度调制型光纤传感器也是 最早进入实用化和商品化的光纤传感器。
强度调制型光纤传感器具有结构简单、 容易实现， 成本 低等优点； 同时又存在测量精度较低、 受光源强度波动和连 接器损耗变化等影响较大的缺点。
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强度调制型光纤传感器
3.2.2
双光路法是传统的强度调制型光学测量技术中行之有效的 抗扰动方法。 初期， 人们简单地将双光路法直接引入强度调 制型光纤传感器中。 双光路法补偿技术原理图如图3-7所示。 这种方法有一定补偿效果， 简单可行， 但由于它没有解决传 输光纤中扰动这一关键问题， 因此， 对传输光纤的环境要求 很严， 实际应用存在一定的局限性。 而且， 由于两个光电接 收器件的漂移影响不能克服， 因此精度较低。 目前， 该方法 在国内部分强度调制型光纤传感器中仍被采用， 例如用于微 位移测量的光纤传感器。
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强度调制型光纤传感器
图3-7 双光路法补偿技术原理图
29
强度调制型光纤传感器
3.2.3 双波长法(双频法)
Homio Inaba和W.B.Spillmafn等人对双波长法进行了深入 的研究。 他们首先将这种方法用于大气中有害气体的检测。 双波长法(双频法)补偿技术原理图如图3-8所示， 采用宽频光 源(或直接采用两个不同频率的光源)， 经过传感器后， 由于 不同频率具有不同的特性， 因此可以在输出端将两种波长的 光进行分离处理， 从而达到补偿的目的。 该方法目前多用于 吸收式强度调制型光纤传感器(例如甲烷气体浓度)， 还可用于 光纤位移传感器， 其精度优于测量范围的0.1%。 然而这种方 法结构较复杂， 同时由于不同波长的光在光纤中传输特性的 差异， 因此一般不用于遥测， 否则测量精度较低。
大学物理实验光纤传感实验讲义
⼤学物理实验光纤传感实验讲义
光纤传感实验
光纤特性的研究和应⽤是20世纪70年代末发展起来的⼀个新的领域。光纤传感器件具有体积⼩、重量轻、抗电磁⼲扰强、防腐性好、灵敏度⾼等优点；⽤于测量压⼒、应变、微⼩折射率变化、微振动、微位移等诸多领域。特别是光纤通信已经成为现代通信⽹的主要⽀柱。光纤通信的发展极为迅速，新的理论和技术不断产⽣和发展。因此，在⼤学物理实验课程中开设“光纤特性研究实验”已经成为培养现代⾼科技⼈才的必然趋势。传感器是信息技术的三⼤技术之⼀。随着信息技术进⼊新时期，传感技术也进⼊了新阶段。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳⼊国家重点发展项⽬。
光纤特性研究和应⽤是⼀门综合性的学科，理论性较强，知识⾯较⼴，可以激发学⽣对理论知识的学习兴趣，培养学⽣的实践动⼿和创新能⼒，光纤⼲涉系列实验教学的开设就显得⾮常重要了。基于这个⽬的，我们对光纤⼲涉实验教学进⾏了初步探索，在此基础上，该实验还可以进⾏⼀些设计性及研究性实验。
⼀、实验⽬的
1.了解光纤与光源耦合⽅法的原理；
2.理解M—Z⼲涉的原理和⽤途；了解传感器原理；
3.实测光纤温度传感器实验数据。
⼆、实验仪器
激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，激光功率计，五位调整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD及显⽰器，等等
三、实验原理
(1)光纤的基础知识
光纤的基本结构如图1，它主要包括三层（⼯程上
有时有四层或五层，图中是四层结构）：1.纤芯；2.包
光纤传感实验
实验题目:光纤传感实验
实验目的&实验原理:见上交的实验报告纸
实验仪器:激光器及电源，光纤夹具，光纤剥线钳，宝石刀，激光功率计，五维调整架，显微镜，光纤传感实验仪，CCD 及显示器
实验内容:
一：1.打开机箱总电源，打开激光器电源，观察是否有激光输出；打开显示器电源，将CCD 电源插头插入插座。
2.将切好端面的光纤固定在五维调整架上，使之与激光器达到最佳耦合状态，此时应能在显示器上观察到清晰的干涉条纹。
3.按下数显温控仪上的温度设定按钮，设置最高加热温度为36℃，弹起温度设定按钮，此时数显温控仪上显示的是将被加热的光纤实时温度。
4.打开加热开关，在显示器上选择合适的参考位置，观察条纹变化；当温度示数为室温+2℃时开始记录数据：条纹每移动3条，记录至少10组数据，被加热的光纤长度以29.00cm 计算，给出光纤灵敏度/l T ∆ψ∆ 二：剥好光纤，放入夹具，调整激光器的出射激光以及五维调整架，使得激光功率计示数最大，记录此数据，由它计算耦合效率。
实验数据:
一 测量光纤耦合效率
388.4nw
二 M-Z 光纤干涉仪测量光纤温度灵敏度
室温19.6℃ l=29.00cm
升温T/℃ 22.0 22.4 22.8 23.3 23.8 24.3 24.8 25.4 25.9 26.5 27.1 27.6 降温T/℃ 35.7 35.5 35.2 34.4 34.0 33.7 33.3 32.9 32.5 32.0 31.6 31.1 30.7
数据处理:
一 测量光纤耦合效率
3
12388.410100%100%18.5%2.10
光纤传感技术(全)
设备故障诊断
通过光纤传感器对设备运行过程中 的振动、温度、压力等参数进行实 时监测，实现故障预警和远程诊断 。
环境监测
在工业生产环境中，光纤传感器可 用于监测气体、液体、固体等环境 参数的变化，确保生产安全。
能源环保领域应用
油气管道监测
光纤传感器可用于油气管道的泄漏监测和定位，提高管道运输的安 全性和环保性。
03
成本
点式光纤传感器成本相对较低，而分布式光 纤传感器成本较高。
05
02
测量范围
点式光纤传感器适用于局部测量，而分布式 光纤传感器可实现大范围、长距离的连续测 量。
04
抗干扰能力
分布式光纤传感器具有较强的抗干扰 能力，能够在复杂环境中稳定工作。
06
选择依据
根据实际测量需求，综合考虑测量精度、范围 、响应速度、抗干扰能力和成本等因素，选择 合适的光纤传感器类型。
和Leabharlann Baidu决方案。
THANKS。
智能家居
在智能家居系统中，光纤传感器 可用于门窗、照明、空调等设备 的自动控制，提高家居生活的舒 适性和安全性。
安全防护
光纤传感器可用于周界安防、入 侵检测等安全防护系统中，实现 对目标区域的实时监测和报警。
05
光纤传感技术发展趋势与挑战
新型材料在光纤传感中应用前景
光纤位移传感器实验
光纤位移传感器实验
一、实验目的
1、了解光纤位移传感器工作原理及其特性；
2、了解并掌握光纤位移传感器测量位移的方法。
二、实验内容
1、光纤位移传感器输出信号处理实验；
2、光纤位移传感器输岀信号误差补偿实验；
3、光纤位移传感器测距原理实验；
4、利用光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系;
5、实验误差测量。
三、实验仪器
1＞光线位移传感器实验仪1台
2、反射式光纤1根
3、对射式光纤2根
4、连接导线若干
5、电源线1根
四、实验原理
本实验仪通过光纤位移传感器位移测量实验，熟悉光纤结构特点及光纤数值孔径的定义，掌握光纤位移的测量原理，熟悉光路调整方法。
本实验仪可以完成反射式和对射式光纤位移传感器实验，重点研究光纤位移传感器的工作原理及其应用电路设计。
通常按光纤在传感器中所起的作用不同，将光纤传感器分成功能型称为传感型）（或
和非功能型（传光型、结构型）两大类。功能型光纤传感器使用单模光纤，它在传感器中不仅起传导光的作用，而且又是传感器的敏感元件。但这类传感器大制造上技术难度较大，结构比较复杂，且调试困难。
非功能型光纤传感器中，光纤木身只起传光作用，并不是传感器的敏感元件。它是利用在光纤端而或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。所以这种传感器也叫传输回路型光纤传感器。它的工作原理是：光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号直接传导到光电元件上，实现对被测物理量的检测。为了得到较大的受光量和传输光的功率，这种传感器所使用的光纤主要是孔径大的阶跃型多模光纤。该光纤传感器的特点是结构简单、可靠，技术上容易实现，便于推广应用，但灵敏度较低，测量精度也不高光纤位移传感器实位移测量器件，利用光纤传输光信号的功能，根据检测到的反射光的强度来测量被测反射表而的距离。
光纤传感实验报告
光纤传感实验报告
1、基础理论
1.1光纤光栅温度传感器原理
1.1.1光纤光栅温度传感原理
光纤光栅的反射或者透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这是光纤光栅温度传感器的基本工作原理。
光纤Bragg光栅传感是通过对在光纤部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱的检测,实现被测结构的应变和温度的绝对测量。由耦合模理论可知,光纤光栅的Bragg中心波长为
式中Λ为光栅的周期;neff为纤芯的有效折射率。外界温度对Bragg波长的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。由公式(1)可知,Bragg波长是随和而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时,可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应,光栅的折射率会发生变化;由于热胀冷缩效应,光栅的周期也会发生变化,从而引起和的变化,最终导致Bragg光栅波长的漂移。
只考虑温度对Bragg波长的影响,在忽略波导效应的条件下,光纤光栅的温度灵敏度为
式中F为折射率温度系数;α为光纤的线性热膨胀系数;p11和p12为光弹常数。
由式(2)可知光纤光栅受到应变作用或当周围温度改变时，会使n eff和 发生变化，从而引起Bragg波长的移动。通过测量Bragg波长的移动量，即可实现对外部温度或应变量的测量。
1.1.2光纤光栅温度传感器的封装
为满足实际应用的要求,在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时,要考虑以下因素:(1)封装后的传感器要具备良好的重复性和线性度;(2)必须给光纤光栅提供足够的保护,确保封装结构要有足够的强度;(3)封装结构必须具备良好的稳定性,以满足长期使用的要求。为了能够有效起到增敏作用一般采用合金、钢、铜、铝等热膨胀系数大的材料对光纤光栅进行封装。
物理实验技术中的光纤传感应用指南
物理实验技术中的光纤传感应用指南引言
光纤传感是一种利用光纤作为传感元件的技术，它通过光信号的变化来监测和测量环境中的物理量。光纤传感技术具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于各种物理实验中。本文将为大家介绍物理实验技术中光纤传感的应用指南。
1.光纤传感原理
光纤传感是基于光信号通过光纤的传输特性，通过光信号在光纤中的传输过程中发生的变化来测量物理量。当光信号通过光纤时，由于光纤的特性，光信号会受到光纤中出现的形变、温度变化等因素的影响，从而导致光信号的强度、相位等发生变化。通过测量这些变化，可以得到环境中的物理量信息。
2.光纤传感器的种类与应用
光纤传感器根据测量物理量的不同可以分为多种类型，如光纤光栅传感器、光纤布里渊散射传感器、光纤干涉传感器等。这些传感器的应用范围也各不相同，例如光纤光栅传感器常用于测量应变、温度等物理量，光纤布里渊散射传感器可以用于测量温度、气压等物理量。
3.光纤传感在物理实验中的应用
在物理实验中，光纤传感技术可以应用于多个领域，下面我们以几个典型的实验为例，介绍光纤传感在物理实验中的应用。
3.1 纤维光学陷阱实验
纤维光学陷阱是通过光纤传感器来实现的一种实验技术，利用光的反射和折射特性，使光纤在水中形成一个类似于陷阱的结构，将微小的颗粒固定在光束的
焦点处。这样，就可以通过改变光束的方向和强度，实现对微小颗粒的操控和运动观测。
3.2 光纤传感测温实验
光纤传感技术可以通过测量光纤中光信号的强度变化来实现对温度的测量。在测温实验中，可以利用光纤光栅传感器，将光纤固定在需要测温的物体上，当物体温度发生变化时，由于光纤的热膨胀导致光栅发生变形，进而导致光信号发生变化，通过测量这种变化，可以准确测量物体的温度。
光纤压力传感器ppt
主要内容
• 一、光纤传感技术概念 • 二、光纤压力传感器分类 • 三、光纤压力传感器的应
用
光纤传感技术概念
• 光纤传感技术
伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光 纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。当这种外界信号为压 力时,即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器,与传统的 压力传感器相比体积小、重量轻,具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易 爆的环境中等优点,另外还可以构成光纤分布式压力传感器,对桥梁、大坝等进行 健康状况的实时监测。
一、强度调制光纤压力传感器
• 微弯型
原理：当齿形板受
外部扰动时,光纤的 微弯程度随之变化, 从而导致输出光功 率的改变,通过光检 测器检测到的光功 率变化来间接地测 量外部压力的大小 。
优点：结构简单,容易装配,造价低。 缺点：传感器的微弯结构周期要求严格,因此机械设计相当复杂,另外加速度
效应也会使其性能恶化。
一、强度调制光纤压力传感器
• 透射型
原理：在发射光纤与
接收光纤之间放置一 个遮光片,对进入接收 光纤的光束产生一定 程度的遮挡,外界信号 通过控制遮光片的位 移来制约遮光程度,实 现对进入接收光纤的 光强进行调制。
优点：灵敏度高，线性度好。
一、强度调制光纤压力传感器
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实验一 光纤位移传感器实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器工作原理及其性能。
二、实验内容
光纤位移传感器输出电压与位移的关系实验。
三、实验仪器
ZY130Fsens12SB （光电传感器实验台）主机箱 一台 光纤传移传器实验模板 一个 PSD 传感器及位移装置 一套 螺旋测微头 一个 反射面 一个 反射式光纤 一根 导线 若干
四、实验原理
如图是线性位移测量装置，
光从光源耦合到输入光纤射向被测物体，再被反射回另一光纤，由探测器接收。设两根光纤的距离为d ，每根光纤的直径为2a ，数值孔径为N ，如图所示，这时
b
d tg 2=
θ
由于N 1
sin
-=θ，所以式可以写为
(
)
N
tg d b 1
sin
2-=
很显然，当()[]
N tg d b 1
sin
2/-<时，即接收光纤位于光纤像的光锥之外。两光纤的耦
合为零，无反射进入接收光纤：当()[]N
tg d b 1
sin
2/-≥时，即接收光纤位于光锥之内，两
2a
光纤耦合最强，接收光纤达到最大值。d 的最大检测范围为()
N tg a 1
sin
/-。
如果要定量的计算光耦合系数，就必须计算出输入光纤像的发光锥体与接收锥体与接收光纤端面的交叠面积，如图所示，由于接收光纤芯径很小，常常把光锥边缘与接收光纤芯交界弧线看成是直线。通过对交叠面简单的几何分析，不难得到交叠面积与光纤端面积之比α。即
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎭⎫ ⎝
⎛
-⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛-=
-a a a δδδπα1sin 11cos 11
δ——光锥底与输入光纤芯端面交叠扇面的宽
光纤发射锥与接收端面重叠面积计算示意图
d tg b -⨯=θδ2
三角形△ABC 面积ββcos sin a a S ⨯=
a
d
输出光纤
输入光纤
扇形面积2a ⨯=β
其中：()a a a /1/cos δδβ-=-=
()[
]
a /1cos
sin sin 1
δ
β-=-
输入光纤的光与光纤芯交叠面积之比
()()
⎭⎬
⎫⎩
⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎭⎫ ⎝
⎛
-⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛
-=
-=-=--a a a a
S a
S a δδδπβ
π
πβα1cos
sin 11cos 1/1
/1
1
2
2
2
本实验采用的传光型光纤，它由两束光纤混合后组成，两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X ，由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一
束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器的电量大小与间距X 有关，因此可用于测量位移。
五、实验步骤
1、根据图1-1安装光纤位移传感器，光纤二束插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D 及光电转换管T 相接。
图1-1 光纤位移传感器
2、将主机箱的电压表接到实验模块o V 和“⊥”，将实验模块的“±15V ”和“GND ”插孔与主机箱中的稳压电源“±15V ”极其“⊥”分别对应相连，见图1-2。
图1-2
调节测微头，使探头与发射面圆平板接触。
打开电源开关，调RP使数显表显示为零。
旋转测微头，使被测体郭开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表1-1。
表1-1 光纤位移传感器输出电压与位移数据
3、根据上表，作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
六、实验报告
测量光纤位移传感器输出电压与位移的关系，填入表中，并做出特性曲线。
七、实验思考题
根据特性曲线，试想一下光纤位移传感可做哪些测量？
八、实验测试点说明
“+15V”、“GND”、“-15V”为电源引入口，接主机的“+15V”、“⊥”、“-15V”；“V o”
及其下方插孔为输出电压检测点，分别接主机箱电压表“+”、“-”。
实验二Mach-Zehnder光纤干涉实验
一.实验目的
1.掌握光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本原理；
2.实验操作调试Mach-Zehnder干涉仪并进行性能测试。
二.实验原理
以光纤取代传统Mach-Zehnder干涉仪的空气隙，就构成了光纤型Mach-Zehnder干涉仪。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器，在光通信、光传感领域有广泛应用，其应用前景非常好。
光纤型Mach-Zehnder干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束器的输入端输入后，在分束器输出端的两根基本长度相同的单模光纤汇合处产生干涉，形成干涉场。干涉场的光强分布（干涉条纹）与输出端两光纤的夹角即光程差相关。令夹角固定，那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布（干涉条纹）相对应。
三.实验装置:
主机、光纤跳线1根。
四.实验内容及步骤
1.将主机中的“650光源”端口与“光源输入”端口用1根光纤跳线连接起来。
2.打开光源，观察毛玻璃窗上的干涉条纹。
3.打开上盖，观察内部光路结构，分析观察到的现象。
五.实验报告
根据观察现象，画出观察毛玻璃窗上的干涉条纹图像草图。