光纤传感实验仪的应用

光纤传感实验仪的应用 第27卷第1期 2000年1月 应用 AppliedScienceandTechnology Vo1.27.NO.1 Jan.,2000 一 f) 光纤传感实验仪的应用 殷晓华,刘志海『赵文辉:,姜宇 (I哈尔滨市电信局,黑龙江哈尔滨15~01;2哈尔滨工程大学物理系,黑龙江哈尔滨15~01) 摘要:光在光纤中传输,光纤易受外界环境因素的影响,如温度,压力,电场,磁场等环境 的变化将引起光波量如光强度,相位,频率,偏振态等的变化,通过这些量的变化.就可以知 道导致这些光波量变化的位移,温度,压力,电磁场等物理量的大小.光纤传感实验仪就是 在光纤传感领域中的光纤透射技术,反射技术及微弯损耗技术等基 本原理的基础上开发而 成的,可用于光源特性测试,光纤反射,透射特性测试.位移,温度,压力, 杨氏模量及固体热 胀系数等物理量的测试. : 0引言 舌驴丸先竹街锯 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通信 技术的发展而逐步形成的在光通信系统中光纤 用作远距离传输光波信号的介质.但是,在实际 光传输过程中,光纤易受外界环境因素的影响, 如温度,压力,电场,磁场等环境的变化将引起光 波量如光强度,相位,频率,偏振态等的变化,通 过这些量的变化,就可以知道导致这些光波量变 化的位移,温度,压力,电磁场等物理量的大小. 光纤传感实验仪就是在光纤传感领域中的 光纤透射技术,反射技术及微弯损耗技术等基本 原理的基础上开发而成的,由光纤传感实验仪主 机,LED光源,发射光纤,PIN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 组成的实验系统如图1所示 维微位穆 lLED光源P一,特性曲线测试 , 发光二极管简称LED,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 (,)的变化而变化.因此测量LED光源的尸一, 特性曲线具有重要的理论意义和工程应用意义. 1)取出发射一接收光纤,将光源端与LED 光源的插接座相连.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 调节旋钮使电流达到最小; 3)每隔5mA,对应记录下经光电转换放大 后的输出电压值(单位:mV),此电压值正比于 光输出功率.测得的曲线如图2. 章 莲 斟 督 驱动电流ruA 图2光纤输出功率随驱动电流变化曲线 2光纤纤端光场分布的测试 图i光纤传感实验仪示意图 光纤传感实验仪采用了强度型光纤传感的随着光通信技术的发展,派生出了光纤传感 方式,通过不同的实验装置构成各式传感器,从技术及光纤传感器的应用.就外部调制型光纤传 而测量各种不同物理量.感器而言,如反射接收型,直接入射型,光闸型 收稿日期:1999—10—04 作者简介:殷晓华(1964一),女,山东黄县人,暗尔滨市电信局工程师,主要研究方向:通讯网络. 第1期刘志海等:光纤传感实验仪的实用确良’13 等,一般由人射光源光纤,调制器件及接收光纤 组成而接收光纤所收集到的光强随外界物理扰 动而变化,其光强响应特性曲线是这类传感器的 设计依据,大多与光纤出射的光场相关.因 而,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常人射光纤不 动而接收光纤可以作纵(横)向位移这样接 收光纤的输出光强被其位移调制. 光纤纤端光场的分布是反射式光纤传感 实验的基础.通过纤端光场的分布的测量可 以给使用者以直观的印象,并且对光纤传光 特性有一定的定性和定量的掌握同时,它的 测量涉及到光纤传感器的设计,使用等 基本问,具有重要意义. 1)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 光纤探头问距调到约lmm左右; 2)接通电源,将LED驱动电流调到指定 电流; 3)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 人射光纤和出射光纤已对准; 4)调整纵向微动调节架,将探测光纤推 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向相 反的方向旋转0.5mill(两光纤探头的间距) 停止; 5)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; 6)将两光纤探头的间距调到1.0mm,重 复步骤5; 7)在同一坐标纸上作出两条曲线如图3. 0.8 — 0.7 0.6 0.5 04 0.3 0?2 0—1 0 . 广——?] ,’,1:: ,\ ,, ,,…,, ., 二,,一 00.10.20.30.40.5 横向距离IAnm 图320O?m芯径光纤出射光场的横向分布 用类似方式可以测得光纤出射光场的轴 向分布,如图4所示. 5.5 ar’- 4 5 . . 5 0 4.0 摇3,5 3.0 删2.5 05 0 纵向距离I/ram 图42o0m芯径光纤出射光场的轴向分布 3反射式光纤位移传感器 同样,用光纤传感实验仪也可以构成反 射式光纤微位移传感器,用以测量多种可转 换成位移的物理量,如压力,温度,杨氏模量, 固体的热膨胀系数等等. 光纤传感技术是一门新兴的物理应用技 术,它在通信,石油,化工检测以及各种物理 量测量方面具有许多独特的优点,有广阔的 应用前景.通过增设光纤传感实验,将这一现 代光学新技术进行广泛的普及和渗透,不仅 丰富了大学物理的教学内容,而且拓宽了学 生的知识面,对于工科院校学生视野的开阔, 学习兴趣的提高具有重要的作用.反过来,可 以进一步调动学生学习大学物理的积极性, 同时对于引导学生迅速进人工程应用的前沿 领域也有良好的导向作用. 参考文献 【l】苑立渡.光源与纤端光场【J]_光通信技术,1994, l8f11:54—64. f2]苑立渡.调制方式及其理论分析方法【J1光通信 技术,1994,18(2):143—165 【3】张志鹏,GamblingWA.,光纤传感器原理[M].北 京:中国计量出版社,1991. [4】苑立波光纤复合压力计[J1.光通信技术.1992, 16《1):52—55. 【5】苑立渡.补偿技术及其机理分析【J1.光通信技术, 1995,19《1):56—826 【7】杨军.光纤传感实验仪用于金属丝杨氏弹性模 量的测量【c1.全国工科物理实验教学现代化研 讨会论文集,1999. 『8]刘志海.用光纤传感实验仪测量固体线嘭胀系数 [C1.全国工科物理实验教学现代化研讨会论文 集,1999.