实验五 光纤传感器位移测量

实验五光纤传感器位移测量

一、目的

1 ．熟悉反射式强度外调制光纤位移传感器的工作原理。

2 ．掌握光纤位移传感器测量位移的方法。

二、实验设备

光纤(光电转换器〉、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片

三、实验原理

1 ．光纤导光的基本原理。

光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论：当所研究对象的几何尺寸（指光纤的芯径）远大于所用光波的波长，而光波又处在折射率变化缓慢的空间时可用“光线”即几何光学这一直观又容易理解的方法来分析光波的传播现象。

根据折射定律：光由光密媒质n0 射向光疏媒质n1时，折射角大于入射角，当入射角增至某一临界角ϕc时

，出射光线沿两媒质的分界面传播，当入射角继续增大，ϕ0 >ϕc时，入射光线将不能穿过分界面而被完全反射回光密媒质中，这就是全反射。

光纤是由折射率较高（光密介质）的纤芯和折射率较低（光疏介质）的包层构成的双层

同心圆柱结构。

能在光纤中传输的光线是满足全反射条件的子午光线（过光纤的轴心线，传播路径始终在一个平面内。）和斜光线（不经过光纤轴心，不在一个平面内，它是一空间曲线）这两种

光线称为受导光线。在此只简要说明子午光线入射光纤的情况。

当光线与光纤光轴成θ角入射时，

在纤芯内部将以ϕ0入射到纤芯的侧壁。由于

ϕ0>ϕc和n0> n1 ，则光在侧壁上产生连续向

前的全反射，光在纤芯内成“之”字形传导，直

至由终端射出。

如果入射角θ过大致使ϕ0

角不能满足全反射的临界要求，即ϕ0< ϕc，光线会穿过纤芯的侧壁

而逸出，产生漏光。因此，最大入射角θ不能超过下式所要求的值

式中，n为光纤所在环境的折射率（若为空气，则n=1），n sin 定义为数值孔径，记作NA，

它是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示，无论光源发射功率多大，只有2θ张角内的光

才能被光纤接收、传播（全反射），NA愈大，光纤的集光能力愈强。

2．光纤中光波的调制和相关的反射机制。

通过光纤传感器的敏感头（或传感臂）与外界待测对象相互作用，将待测量的信号传递到光纤内的导光波中，或信息加载于光波之上，这个过程称为光纤中光波的调制，简称光调制。外界待测量可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位和偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。

利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量的原理称为光强度调制。（光电探测器只能探测光的强度。）光强度调制分为外调制和内调制两种形式。外调制的调制过程发生在光纤以外的环节，光纤本身特性不变，光纤只起传光作用，属于传光型；内调制过程发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，属于功能型。

实现光强度调制的反射机制：两根光纤并排放置，一根是发送光纤，一根是接收光纤，在光纤端而前放置反射体，当反射体距光纤端面距离发生变化时，接收光纤收到的光功率发生变化，构成了反射型光强调制装置。由此可探测反射体的位移变化，从而检测出引起反射体位置变化的因素量。

3．反射式强度外调制光纤传感器位移测量原理。

反射式光纤位移传感器如图5-2所示。光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并成光纤束探头（半圆型、同心圆型或随机分布型）；另一端分为两束，分别作为光源光纤和接收光纤，只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光（为非相干光）经光源光纤照射至反射体，被反射的一部分光经接收光纤入射光探测元件进行光电转换，然后经光电变换电路输出稳定的电信号。接收光纤接收的光强主要决定于反射体距探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。分析如下：

见图5-3所示，设光纤的折射率剖面为阶跃型，

光纤数值孔径

光线探头中的输入光纤（光源光纤）与输出光纤（接收光纤）间距为d（ 微米数量级）光纤直径为2r，探头端面与反射体之

距为x。如输出光纤接收的光强等效于输入光纤像发出的光强，则

输出光纤端面位于输入光纤的像光纤发出的光锥底面之外，没有光反射

到输出光纤中

输出光纤端面完全位于输入光纤的像光纤发出的光锥底面内，反射到输出光纤中的光强达到

最大值。由于受光面积是反射体与光纤探头间距x的函数，

因此经由光电变换器产生的电信号也是x的单值函数，并在一定范围内呈近似线性关系。

当光纤探头紧贴反射片（体）时，输入光纤发出的光无法被输出光纤接受，此时无光电

流。当反射片远离光纤探头时，输入光纤照亮反射片的面积将逐渐增大，相应地，输出光纤

端面上被照亮的面积也逐渐增大，即接收的光通量随之增多，因而产生一个近似线性的输出

信号。

图5-4是光纤传感器的位移——输出电压关系曲

线。图中O~a段（前沿）线性度好，灵敏度高，是光

纤位移传感器的正常工作范围，当位移x继续加大至

曲线a~b段（后沿）输出电压反而迅速下降，线性被

破坏。

[实验单元]

Y型多膜玻璃光纤，光电变换器，直流稳压源，数字电压/频率表，示波器，支架，反射

片，测微头，低频振荡器，激振电路I。

[注意事项]

1．光电变换器工作时V0最大输出电压以2V左右为好，可通过调节增益电位器来控制。

2．实验时请保持反射镜片的洁净及与光纤端面的平行度。

3．工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。

4．注意背景光对实验的影响。

5．光纤勿成锐角曲折。

[实验附录]

光纤的简单结构和分类。

（1）结构

见图5-6，光纤包括纤芯、包层和涂

敷层，是一多层介质构成的对称圆柱体。

纤芯直径约为5~75微米。

纤芯外面有包层，包层有一层、二层、（内、外包层）或多层，（称为多层结构）但总直

径在100~200微米上下。纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者细微的区别，保证光主要

限制在纤芯里进行传输。

包层外面还要涂涂料，作用是增加光纤机械强度，保护光纤不受外来的损害。

光纤的最外层是外套，这是一种塑料管，起保护作用。不同颜色的塑料管可用以区别各

种光纤。

许多光纤绕在一起组成光缆，光缆里光纤数量的多少视需要而定。

光纤的结构一般用折射率沿径向的分布函数来表征，这种分布函数称为光纤的折射率剖

面（或断面）。为了简略地表示出光纤的剖面特征，

（对于单包层光纤）引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数，其定义为