光纤传感实验设计

第 23 卷 第 5 期 2010 年 10 月
大
学
物
理
实
验
PH Y SICA L EXPERI M ENT OF CO L LEG E
V ol. 23 N o. 5 Oct. 2010
文章编号 : 1007 2934( 2010) 05 0030 02
光纤传感实验设计
赵国俭, 王
( 东北大学 , 辽宁 沈阳
( 下转第 40 页)
40
一种霍尔 效应测量磁场的设计方法
Improvement on the Experiment Means of Measuring Magnetic Field Based on Hall Effect
W U W ei x ia, YA NG Shao bo, ZH ANG M ing chang
反射镜的方向旋动微动调节架 , 每次调节 0. 1 mm 并记录螺 旋测微 器的 读数和 电压输 出值, 直至 5 mm; 驱动电流: 40 mA 。 由实验数据得到的曲线如下:
图3
反射式调制特性曲线
3
实验结论
本文通过对 LED 光源的特性 , 光纤纤端光场
的测试, 微位移的测量等的研究和实验发现 : ( 1) L ED 光源存在一个阈值电流 , 只有在工 作电流超过阈值电流的情况下 , 才会输出光。 ( 2) 纤端光场分布实验曲 线成峰谷性, 有峰 值。其光强响应特性曲线与光纤出射光场有关。 ( 3) 反射式光纤测量微位 移时, 纤端与反射 镜的距离越小 , 反射接收光纤接收的光量小 , 随着 距离的增大接收光量增大并达到最大值。曲线前 段范围窄, 但是灵敏度高、 线性好 , 适于测微小位 移和表面粗糙度等; 曲线后段 , 曲线从峰值下降其 特性与前段相反。 ( 4) 光纤微弯时产生微弯损耗, 位移与微弯损 耗呈正比且不是线性关系, 这是与理论分析相一致 的; 在某一区域之间近似认为是线性区域, 从而可 用来作为光纤微弯法位移传感器的工作区域。 参考文献 :
( Beijing Inst itute of Gr aphic Communicatio n, Beijing 102600)
Abstract: In view of the disadvant age t hat o ne dimensio nal dist ribut ion of magnetic field on midf ield ax is inside st raig ht solenoid is o nly measur ed in t he ex periment using H all ef fect t o m easure magnet ic field , a sim ple and feasible met ho d t o measure tw o dim ensional dist ribut ion of any magnet ic f ield and ex t end t o t he t hree dim ensio nal o ne is designed. T his design can not only make student s underst and deeply t he principle of measuring m ag net ic f ield based in H all eff ect and t he pr opert y of magnet ic field, but be used as a designed ex periment of college physics ex periment. Key words: H all ef f ect; magnetic f ield; means design
2
实验方案
为有效利用该实验系统, 且方便学生实验操
作, 进行下面三项操作测试很有必要。 2. 1 LED 光源的 I P 特性测试 LED 是发光二极管 ( L ight Emit ting Diode) 的简称 , 是目前光电系统中比较常用的半导体 光源。它的中心波长为 0. 89 m 。它们的输出功
收稿日期 : 2010 03 04
[ 2]
从实验所得 到的数据 分析 L ED 光 源的 I P 特性曲线是一条射线 , 说明是 L ED 光源的驱动电 流与光功率输出成正比关系。所得驱动电流与输 出电压曲线见图 1。
光纤传感实验设计
31
纤; 准三维调节架。 实验步骤 : 将反射式光纤探头卡在纵向微动 体调节架上, 对准反射器并使光纤探头与反射镜 间距调到约 0. 1 mm 左右 ; 接通电源, 将 L ED 驱 动电流调到指定电流 ; 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; 沿某纵向向远离
表 1 LED 光源 I P 特性曲线实验数据记录处理 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 I/ mA 2. 5 5. 0 7. 5 10. 0 12. 5 15. 0 17. 5 20. 0 22. 5 25. 0 27. 5 30. 0 32. 5 35. 0 U / mV 2. 81 6. 91 11. 51 16. 37 21. 30 26. 30 31. 25 36. 21 41. 00 46. 00 50. 60 55. 10 59. 60 63. 70 P/ W 7. 025 34. 55 86. 33 163. 70 266. 25 394. 50 546. 88 724. 20 922. 50 1 150 1 391. 5 1 653 1 937 2 229. 5
1Baidu Nhomakorabea
实验设备
该设计 实验 是由 光 纤传 感
[ 1]
率( P ) 随驱动电流( I) 的变化而变化。 测绘 L ED 光源的 I P 特 性曲线 实验 步骤: ( 1) 取出发射- 接收光纤 , 将光源端与 L ED 光源 实验 仪主 机, 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. 5 mA, 对应记录下经光电转换放大后的输出电压值 ( 单 位: m V) , 此电压值正比与光输出功率。 ( 4) 根据 测量数据作 I P 特性曲线。
静
110004)
摘
要 : 提出了一种适用于教学的光纤传感器实验研究系统。在实验过程中首先测定了 L ED 光源
的 I P 特性曲线 , 接着对光纤的纤端光场分布进行测试 , 并 通过实验得到 的数据绘出 光纤的纤 端光场光 强曲线 , 然后利用光纤传感实验仪对微位移用两种方式 进行测 量。根据现 有的实 验条件 设计出 适合于 学生进行的基本实验。 关 键 词 : 光纤 ; 传感器 ; 实验 文献标志码 : A 中图分类号 : O 4 33
[ 1] 刘德明 , 向清 , 黄德修 . 光纤 光学 [ M ] . 北京 ; 国防 工 业出版社 , 1995: 54 69. [ 2] 诸 昌 铃 . LED 显 示 屏 系 统 原 理 及 工 程 技 术 [ J] . 2000, 11.
图2
纤端光场分布曲线
2. 3 利用光纤传感器测量位移 实验仪器: 光纤传感实验仪主机; 反射接收光
( 上接第 31 页)
The Fiber Optic Spreads the Feeling Experiment Design
ZH AO Guo jian, WA NG Jing
( N or theaster n U niversit y, Shenyang 110004)
Abstract: T his t hesis put s fo rw ar d a kind of fiber opt ic t hat is applicable to t he t eaching t o spread the feeling machine experiment research syst em . Measured t he charact erist ic curve of I P o f t he light source of L ED f irst in experiment process. Carry t he lig ht f iel d t o dist ribut e t o carr y on t he test t o the fiber of t he fiber o pt ic imm ediat ely af ter, and t he data t hat g et s thro ug h an ex perim ent draw s a f iber of fiber opt ic t o carry a curve w it h st rong lig ht of light. T hen make use of t he f iber optic to spread the feeling experiment inst rument t o m ove to the tiny t o carr y on the diagraph w it h t w o kinds of met ho ds. Designed accor ding t o t he ex ist ing ex perim ent co ndit ion in keeping w it h basic experiment t hat st udent carry on. Key words: f iber opt ic; spread t he feeling m achine; exper im ent
LED 光 源、 发 射光纤、 P IN 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。光纤传感实 验仪主机是为 L ED 提供稳定的驱动电流 , 完成光电转换及放大, 并显 示稳定的电信号输出。为 LED 提供稳定的驱动 电流 , 完成光电转换及放大, 并显示稳定的电信号 输出。以恒流方式驱动 L ED, 驱动电流数控, 输 出电流调节有手动和自动两种方式, 并可设定输 出电 流的 上下限 , 电 流输 出最 小可 调 量为 0. 5 mA, 输出电流范 围宽, 带负 载能力强 , 具有放大 器增益自动控制功能 ( 放大倍数自动切换) , 采用 12 位 A/ D 转 换器 提 高了 精 度, 选 用了 高亮 度 LED 数码管显示 , 便于在光屏蔽情况下使用。
图1 LED 驱动电流与光功率输出的关系曲线
2. 2 光纤纤端光场分布的测试 接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而 变化 , 其光强响应特性大多与光纤出射的光场相 关。因此 , 光纤出射光场的场强分布对于这类传 感器的分析和设计至关重要。通过纤端光场的分 布的测量有助于使用 者了解纤端光 场的分布特 点, 并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的 掌握。 实验仪器: 光纤传感实验仪主机; 接收光纤; 发射光纤 ; 准三维调节架。 实验步骤: 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 1 m m 左右 ; 接通电源 , 将 L ED 驱动电流调到指定电流上。径向时为 35 mA; 轴 向时为 40 mA 。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 ; 调整纵向微动调节架, 将探测光纤维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 架相反的方向旋转 0. 5 m m 停止 ; 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; 将两光 纤探头 的间距 调到 1. 0 mm ; 驱动电流 : 10 mA 。 根据实验数据可以得到如下曲线