劉闖2015301020059

摘要：結(jié)合光纖傳感試驗(yàn)儀的應(yīng)用，研究光纖傳感領(lǐng)域中的光纖透射技術(shù)，反射技術(shù)以及微彎損耗技術(shù)，具體可以進(jìn)行光源特性測(cè)試，光纖反射，光纖透射特性測(cè)試

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：

光纖傳感技術(shù)始于1977年，伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，光纖傳感技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志。從杭州物聯(lián)網(wǎng)暨傳感技術(shù)應(yīng)用論壇了解到，光纖傳感技術(shù)已廣泛用于軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源 環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域有著廣闊的市場(chǎng)。世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、 位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、電流、電壓、磁 場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀是在光纖傳感領(lǐng)域中的光纖透射技術(shù)，反射技術(shù)及微彎損耗技術(shù)等基本原理的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而成的，由光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)，LED 光源、發(fā)射光纖，PIN 光電探測(cè)器、接收光纖、三維微位移調(diào)節(jié)器、反射器。微彎變形器等組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示。

光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀包括四部分：

1．光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)。其功能是：為L(zhǎng)ED 光源提供驅(qū)動(dòng)電流；完成光電轉(zhuǎn)換及放大作用，并輸出電信號(hào)。

2．三組光纖及探頭：反射式發(fā)射光纖及探測(cè)接收光纖； 透射式探測(cè)接收光纖；微彎式發(fā)射一接收光纖

3．三維微位移調(diào)節(jié)器。用以固定光纖探頭，實(shí)現(xiàn)微位移定量調(diào)節(jié)(精度為0.01mm)

4．反射器和微彎變形器，配在三維微位移調(diào)節(jié)器上。

3實(shí)驗(yàn)原理

1出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布

1對(duì)于多模光纖來(lái)說(shuō)，光纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布由(1)式給出：

(1)

(1)式中為由光源耦合進(jìn)入發(fā)送光纖中的光強(qiáng)；為纖端光場(chǎng)中位置處的光通量密度；為一表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于階躍光纖； 為光纖芯半徑，ζ 為與光源種類及光源跟光纖糯合情況有關(guān)的調(diào)制參數(shù)；θc 為光纖的最大出射角。

2如果將同種光纖置于發(fā)送光纖纖端出射光場(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí)，所接收到的光強(qiáng)可表示為(2)式

(2)

其中，S 為接收光面，即纖芯面。

3在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為簡(jiǎn)便計(jì)，可用接收光纖端面中心點(diǎn)處的光強(qiáng)來(lái)作為整個(gè)纖芯面上的平均光強(qiáng)，在這種近似下，得到在接收光纖終端所探測(cè)到的光強(qiáng)公式(3)：

(3)

2透射調(diào)制方式

最簡(jiǎn)單的透射式強(qiáng)度模擬調(diào)制光纖傳感原理如圖2所示。調(diào)制處的光纖端面為平面。通常入射光纖不動(dòng)，而接收光纖可以作縱(橫)向位移。這樣，接收光纖的輸出光強(qiáng)被其位移調(diào)制。

透射型調(diào)制方式的分析較簡(jiǎn)單。在發(fā)送光纖端，其光場(chǎng)分布為一立體光錐，各點(diǎn)的光通量由函數(shù)來(lái)描寫，其光場(chǎng)分布坐標(biāo)如圖所示。當(dāng)接收光纖置于發(fā)送光纖纖端光場(chǎng)中時(shí)，所接收到的光強(qiáng)可近似地由給出。

當(dāng)z固定時(shí)，得到的是橫向位移傳感特性函數(shù)。而當(dāng)r取定值時(shí)(如r=0)，則可得到縱向位移傳感特性函數(shù)，如圖2所示。

2.反射調(diào)制方式

由于反射調(diào)制式光纖傳感器具有準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于傳感器的廣泛應(yīng)用特具魅力。這種傳感器通常由兩根光纖組成，一根光纖把光傳送到反射體，另一根光纖接收反射光并把光傳到探測(cè)器。檢測(cè)到的光強(qiáng)取決于反射體和探頭之間的距離，如圖3所示。

雙纖式是最基本的反射調(diào)制方法，其坐標(biāo)分析系統(tǒng)如圖3 所示。在分析過(guò)程中，采用等效分析法。首先，畫出接收光纖關(guān)于反射體的鏡像。然后利用透射分析法，直接計(jì)算出該鏡像接收光纖在發(fā)送光纖纖端光場(chǎng)中所接收到的光強(qiáng)值。最后，將該光強(qiáng)值乘以反射體的反射率R，作為實(shí)際系統(tǒng)的等效結(jié)果。圖3所示的反射調(diào)制系統(tǒng)中，其接收光纖等效坐標(biāo)位置為。這里，d為發(fā)送光纖軸心到反射接收光纖軸心間的距離，將其代入，并乘以反射率R有

(4)

3.微彎調(diào)制方式

微彎損耗是由光纖的空間狀態(tài)變化，導(dǎo)致光纖中的模間藕合所引起的。利用光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀所提供的微彎損耗調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生一種受控?fù)p耗，可以精確地把光纖輸出信號(hào)與引起光纖微彎器件的位移聯(lián)系起來(lái)。

微彎型光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí)，由于其全反射條件被破壞，纖芯中傳播的某些模式光束進(jìn)入包層，造成纖芯中的光能損耗。為了擴(kuò)大這種效應(yīng)，我們把光纖夾持在一個(gè)周期波長(zhǎng)為Λ的梳妝結(jié)構(gòu)中。當(dāng)梳妝結(jié)構(gòu)(變形器)受力時(shí)，光纖的彎曲情況將發(fā)生變化

3 實(shí)驗(yàn)1——LED光源I-P特性曲線

1、將光源光纖卡在縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上，將探測(cè)光纖卡在橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上，并使光纖探頭間距調(diào)到約 1mm 左右；

2、接通電源，將LED 驅(qū)動(dòng)電流調(diào)到合適電流；

3、調(diào)整橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕和光纖卡具并觀察電壓輸出使之輸出最大，此時(shí)可認(rèn)為入射光纖和出射光纖已對(duì)準(zhǔn)；

4、將驅(qū)動(dòng)電流調(diào)為0mV，記錄輸出電壓，逐漸增加驅(qū)動(dòng)電流(如每次增加2mA)，直到驅(qū)動(dòng)電流為18mA左右。并記錄輸出電壓，此電壓正比于功率，所以做出相應(yīng)的I-U圖,如圖5。

圖5

4 實(shí)驗(yàn)2——光纖纖端光場(chǎng)徑向分布

基本實(shí)驗(yàn)

1.調(diào)整入射光纖和出射光纖已對(duì)準(zhǔn)(見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一)；

2.調(diào)整縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架，將探測(cè)光纖推進(jìn)到與光源光纖即將接觸的位置記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)

3.沿某一方向旋轉(zhuǎn)橫向微動(dòng)調(diào)節(jié)架，直至輸出電壓為零，再向相反的方向旋轉(zhuǎn)一點(diǎn)，記錄螺旋測(cè)微器的讀數(shù)，繼續(xù)向該方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過(guò) 5 個(gè)小格記錄電壓輸出值，直至電壓再次變?yōu)榱?#xff1b; 得到數(shù)據(jù)，利用MATLAB擬合繪圖，得到圖6

4.將兩光纖探頭的間距調(diào)到 0.5mm，重復(fù)步驟3,得到數(shù)據(jù)，利用MATLAB擬合繪圖7

圖6

圖7

延伸

1.將兩張圖放在一起比較，如圖8

圖8

2.兩根光纖進(jìn)行對(duì)接時(shí)候，存在機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差，誤差將產(chǎn)生光功率的耦合損耗。如圖9 為三種典型的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差

圖9

3.可知軸向?qū)?zhǔn)誤差 對(duì)應(yīng)于徑向光場(chǎng)分布 利用MATLAB進(jìn)行模擬

t=0:0.1:2;

%計(jì)算耦合效率

eta=2/pi*acos(t/2)-t/pi.*sqrt(1-(t/2).^2);

plot(t,eta)

4.可以得到圖10 與徑向光場(chǎng)分布趨勢(shì)相同。

圖10

5 實(shí)驗(yàn)3——光纖纖端光場(chǎng)軸向分布

1.調(diào)整入射光纖和出射光纖對(duì)準(zhǔn)(見(jiàn)實(shí)驗(yàn)二)；

2.調(diào)整縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架，將探測(cè)光纖推進(jìn)到與光源光纖即將接觸的位置記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)，然后將縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架向相反的方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過(guò)10個(gè)小格記錄電壓輸出值，直至輸出電壓變?yōu)榱恪５玫綀D11

3.對(duì)比圖2理論圖線，趨勢(shì)相同

圖11

6 實(shí)驗(yàn)4——反射式光纖位移傳感

1將反射式光纖探頭卡在縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架上，對(duì)準(zhǔn)反射器并使光纖探頭與反射鏡間距調(diào)到約 0.1mm 左右；

2接通電源，將LED 驅(qū)動(dòng)電流調(diào)到指定電流；

3調(diào)整縱向微動(dòng)調(diào)節(jié)架，將探測(cè)光纖推進(jìn)到與反射鏡表面即將接觸的位置記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)，然后停止；

4沿某縱向向遠(yuǎn)離反射鏡的方向旋轉(zhuǎn)微動(dòng)調(diào)節(jié)架，每次調(diào)節(jié)0.2mm 并記錄螺旋測(cè)微器的讀數(shù)和電壓輸出值，直至 7mm 得到圖12.

5對(duì)比圖3理論曲線 可知趨勢(shì)一致。

圖12

7 實(shí)驗(yàn)5——微彎式光纖位移傳感器

1.將微彎光纖放在微動(dòng)調(diào)節(jié)架上 等待穩(wěn)定，由于微小擾動(dòng)對(duì)光纖影響較大，所以固定光纖，如圖13,用膠帶固定兩端

圖13

2.每隔0.5mm記錄電壓值(移動(dòng)后立刻測(cè)量讀數(shù))

3.重復(fù)1，每隔0.5mm記錄電壓值(等待電壓穩(wěn)定或基本穩(wěn)定時(shí)讀數(shù))

4.如圖14，可知 是否等待電壓穩(wěn)定 對(duì)結(jié)果影響不大

5.注意！ 不可壓到底，避免壓斷光纖

圖14

8 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)光源特性測(cè)試，光纖反射，光纖透射特性測(cè)試等研究發(fā)現(xiàn)：

1.LED光源功率與電流近與正比關(guān)系

2.光纖纖端徑向光場(chǎng)分布近似于高斯分布(高斯函數(shù)2介擬合)

3.反射式光纖測(cè)量，光纖接受 有先小后大后小的過(guò)程，存在峰值

4.光線微彎時(shí)產(chǎn)生損耗，位移與損耗成正比，但不是線性關(guān)系，在某一個(gè)小區(qū)域可以近似認(rèn)為線性，可用來(lái)測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

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【6】歐攀 高等光學(xué)仿真(MATLAB版) 北京航空航天大學(xué)出版社

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的光线微弯传感器matlab仿真,光纤压力与位移传感特性的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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