光纤压力位移传感器特性研究

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1、光纤压力/位移传感器特性的研究武汉大学，物理科学与技术学院，物理学类梁世勇2011301020084摘要：本实验是旨在测试LED光源I-P特性，光纤纤端光场径向分布，光纤纤端光场轴向分布，反射式光纤位移传感，微弯式光纤位移传感的实验。关键词：光纤，光场分布，位移，I-P特性Thestudyofcharacteristicsoffibre-opticalintensionanddisplacementtransducerShiyongLiang(2011301020084),SchoolofPhysicsandTechnology,WuhanUn

2、iversityAbstract:Inthisexperiment,westudiedtheI-PcharacteristicsoftheLEDilluminant,thedistributionofthelightfieldalongtheaxialandradialdirectionattheendoftheopticalfiber,andwehavealsostudiedthepropertiesoftheopticalfiberwhenitisslightlybended.Keywords:fiber-optical,distribut

3、ionofopticalfield,displacement,I-Pproperties引言：光在光纤内部传输过程中，受到外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用，导致光波的振幅、相位、偏振态等发生变化。因此，我们只需要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用光纤作为传感元件来探测如温度、压力、磁场等物理量。这就是光纤传感器的工作原理。1实验原理1.1LED光源I-P特性实验原理光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前比较常用的光源主要有半导体激光二极管和发光二极管。发光二极管简称LED(LightEmittingDiode

4、)。发光二极管的结构及发光机理发光二极管发射的是自发辐射光。发光二极管LED的结构大多是采用双异质结（DH）芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大．输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合率较高，因而入纤光功率比正面发光型大它的输出光功率（P）随着驱动电流（I）的变化而变化。测量L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。1.2光纤纤端光场径向，轴向分布实验原理按照光纤传输的模式理论，在光纤中

5、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：光场是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 叠加而成。在以上假设下可推导出理论公式(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

6、场的圆孔衍射分布叠加的结果。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。1.3反射式光纤位移传感实验原理采用的光纤传感器的原理如图4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

7、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式中I为由光源耦合入发送光纤中的光强；φ(r,x)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

8、光强可表示为这里，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，可用接收光纤端面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