光纤传感实验 【引言】 光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线：在一定 条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件：光纤本身不带电， 体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严 格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎 在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。 光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感） 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、 频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知外界信号的变化。这种“感知 实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制 的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也 就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何 调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被 测量)的解调技术（或检测技术）。 外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关 系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变 光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型(FunctionalFiber 简称FF型)或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和感两种功能。 于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功 能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤 之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功 能型(NonFunctionalFiber,简称NFF)或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起 传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传 感器或外调制光纤传感器。根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将 光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。 近30年来光纤传感技术发展迅速，应用领域不断扩大，现已从发展初期的字航和军事领域， 逐步扩展到众多民用领域，不仅广泛用于大型工程、重大基础设施与大型装备的长期在线安 全监测，而且还在向生物医学、食品工业、环境等领域发展。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，不仅丰富光电技术实验的教学内容，而且拓宽了 学生的知识面
光纤传感实验 【引言】 光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定 条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电， 体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严 格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎 在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。 光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感）， 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、 频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知” 实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制 的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也 就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何 调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被 测量）的解调技术（或检测技术）。 外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关 系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变 光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型（FunctionalFiber， 简称 FF 型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。 于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功 能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤 之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功 能型（NonFunctionalFiber，简称 NFF）或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起 传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传 感器或外调制光纤传感器。 根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将 光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。 近 30 年来光纤传感技术发展迅速，应用领域不断扩大，现已从发展初期的宇航和军事领域， 逐步扩展到众多民用领域，不仅广泛用于大型工程、重大基础设施与大型装备的长期在线安 全监测，而且还在向生物医学、食品工业、环境等领域发展。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, 不仅丰富光电技术实验的教学内容, 而且拓宽了 学生的知识面
【实验目的】 1、了解光纤干涉测量原理及结构特点，掌握其调整和使用方法： 2、掌握测量温度、压力和位移的变化量： 【实验仪器】 OFK-1型全光纤干涉仪，OFK-1型光电技术器，电源线 【实验原理】 激光是“受激辐射”光，从同一激光器出发的光，若把它分成两路，再让它们相遇，在 相遇区域就会产生干涉，若将“干涉条纹”放大，肉眼就清晰可见。而且，当两路光之间的 “光程差”改变一个波长，干涉条纹由亮→暗→亮，循环一次，肉眼看起来就像向左边或右 边移动了一条似的。 两束相干光中无论那一束的光程发生改变，“干涉条纹”都会发生移动，而且，光程差 改变一个光波波长入，干涉条纹就移动一条。因而，无论是光束的几何路程改变或是折射率 改变，只要光程差改变，干涉条纹就要移动。而温度、压力、位移等因素均可改变光纤的长 度和折射率，故利用光纤干涉仪可以对温度、压力、位移等物理量的变化量进行测量。 光纤干涉仪的结构如图所示，Hle一Ne激光器发出的623.8nm光先经过“耦合器”进入光纤， 然后在经过“分路器”将激光按一定功率比例分到两根输出光纤中，一路光纤经过加热器， 再周定到“位移器”的2#支架上。另一路穿过“压力架”，周定到位移器的1#支架上。位移 器具有五维可调功能，通过微调，使从两根光纤中出射的激光束准确地会聚于透镜L的表 面。它们在相会的空间里发生干涉，形成有规律的干涉条纹。如图所示，干涉条纹之间的间 距S为： S=A 其中入为激光波长：0为两光束之间的夹角。 当很小时，sin02可以用d/2D代替，于是得： 5=智 一般来说，由于S很小，人的肉眼直接观察不到，若经过L放大干涉条纹便清晰可见了。 【实验步豫】 1调节干涉条纹 打开总电源，打开激光开关，这时应能看到1#支架和2#支架的出光孔有光束射出。用 适当的力，微微水平转动2#支架，使2#光束在水平面上慢慢地旋转，直到在透镜L处两个 光点在垂直方向处于一条直线上。再用螺丝刀微调3#或4#螺丝，使两个光点在L处重合
【实验目的】 1、了解光纤干涉测量原理及结构特点，掌握其调整和使用方法； 2、掌握测量温度、压力和位移的变化量； 【实验仪器】 OFK－I 型全光纤干涉仪，OFK－I 型光电技术器，电源线 【实验原理】 激光是“受激辐射”光，从同一激光器出发的光，若把它分成两路，再让它们相遇，在 相遇区域就会产生干涉，若将“干涉条纹”放大，肉眼就清晰可见。而且，当两路光之间的 “光程差”改变一个波长，干涉条纹由亮→暗→亮，循环一次，肉眼看起来就像向左边或右 边移动了一条似的。 两束相干光中无论那一束的光程发生改变，“干涉条纹”都会发生移动，而且，光程差 改变一个光波波长λ，干涉条纹就移动一条。因而，无论是光束的几何路程改变或是折射率 改变，只要光程差改变，干涉条纹就要移动。而温度、压力、位移等因素均可改变光纤的长 度和折射率，故利用光纤干涉仪可以对温度、压力、位移等物理量的变化量进行测量。 光纤干涉仪的结构如图所示，He－Ne 激光器发出的 623.8nm 光先经过“耦合器”进入光纤， 然后在经过“分路器”将激光按一定功率比例分到两根输出光纤中，一路光纤经过加热器， 再固定到“位移器”的 2#支架上。另一路穿过“压力架”，固定到位移器的 1#支架上。位移 器具有五维可调功能，通过微调，使从两根光纤中出射的激光束准确地会聚于透镜 L 的表 面。它们在相会的空间里发生干涉，形成有规律的干涉条纹。如图所示，干涉条纹之间的间 距 S 为： S sin ＝ 2 2 ， 其中λ为激光波长；θ 为两光束之间的夹角。 当 θ 很小时，sinθ/2 可以用 d/2D 代替，于是得： D S d ＝ 一般来说，由于 S 很小，人的肉眼直接观察不到，若经过 L 放大干涉条纹便清晰可见了。 【实验步骤】 1 调节干涉条纹 打开总电源，打开激光开关，这时应能看到 1#支架和 2#支架的出光孔有光束射出。用 适当的力，微微水平转动 2#支架，使 2#光束在水平面上慢慢地旋转，直到在透镜 L 处两个 光点在垂直方向处于一条直线上。再用螺丝刀微调 3#或 4#螺丝，使两个光点在 L 处重合
反复上述两个调节，是两个光点准确重合。检验方法：用小纸条分别遮挡两条光束，其中心 点应该严格重合。 2温度传感 微调2#光纤支架，使出光光斑与1#光纤的光斑完全重合在透镜L前面，使干涉条纹清 晰可见。打开加热开关，让温度上升，一直升到所需温度（最高0℃左右），然后关闭加热 开关，让散热器自然冷却，并隔一段时间(1mn左右)，同时记录干涉条纹移动数和温度计 上显示的温度。注意：开始计时时，应让干涉条纹“计数器”复位 3压力传感 微调2#光纤支架，使出光光斑与1#光纤的光斑完全重合在透镜L前面，使干涉条纹清 晰可见。徐徐转动“压力支架”上的手柄，当“计数器”的读数刚一发生变化，记录手柄上 的读数，然后是干涉条纹每变化一次，读一次手柄读数，直到转动手柄比较困难，就应停止 读数和转动。若再用力转动手柄的话，有可能是光纤损伤或断裂！反方向转动手柄，让光纤 复位。 4位移传感 微调2#光纤支架，使出光光斑与1#光纤的光斑完全重合在透镜L前面，使干涉条纹清 晰可见。转动位移手柄前记录手柄读数，然后徐徐转动位移手柄，每转动14圈，约0.125mm, 记录一次干涉条纹变化量，共转动一圈，分别记录干涉条纹的变化量。干涉条纹变化一次， 位移变化量是632.8nm,测得转动一图所对应的干涉条纹变化量，即可算出“螺距”，与标 称0.5mm比较，可得到绝对误差，而且利用4个测得的数据，可得到螺纹“线性度”好坏 的评价。若让位移手柄推动一个直尺。即可测得直尺刻度的准确度。反方向转动位移手柄 圈，复原。 【注意事项】 1.防尘罩只在做实验室才取掉，做完实验应罩好。 2.本装置中光纤纤芯只有4μm,若需要微小移动，要轻拿轻放。 3.激光器与光纤之间的耦合器是绝对禁止随意拔插： 4.光纤出头端面，透镜表面均是光学面，绝对禁止用手和不干净的布： 【思考题】 1如何进行温度传感测量的 2,实验中采取升温过程还是降温过程？为什么？
反复上述两个调节，是两个光点准确重合。检验方法：用小纸条分别遮挡两条光束，其中心 点应该严格重合。 2 温度传感 微调 2#光纤支架，使出光光斑与 1#光纤的光斑完全重合在透镜 L 前面，使干涉条纹清 晰可见。打开加热开关，让温度上升，一直升到所需温度（最高 70℃左右），然后关闭加热 开关，让散热器自然冷却，并隔一段时间（1min 左右），同时记录干涉条纹移动数和温度计 上显示的温度。注意：开始计时时，应让干涉条纹“计数器”复位。 3 压力传感 微调 2#光纤支架，使出光光斑与 1#光纤的光斑完全重合在透镜 L 前面，使干涉条纹清 晰可见。徐徐转动“压力支架”上的手柄，当“计数器”的读数刚一发生变化，记录手柄上 的读数，然后是干涉条纹每变化一次，读一次手柄读数，直到转动手柄比较困难，就应停止 读数和转动。若再用力转动手柄的话，有可能是光纤损伤或断裂！反方向转动手柄，让光纤 复位。 4 位移传感 微调 2#光纤支架，使出光光斑与 1#光纤的光斑完全重合在透镜 L 前面，使干涉条纹清 晰可见。转动位移手柄前记录手柄读数，然后徐徐转动位移手柄，每转动 1/4 圈，约 0.125mm， 记录一次干涉条纹变化量，共转动一圈，分别记录干涉条纹的变化量。干涉条纹变化一次， 位移变化量是 632.8nm，测得转动一圈所对应的干涉条纹变化量，即可算出“螺距”，与标 称 0.5mm 比较，可得到绝对误差，而且利用 4 个测得的数据，可得到螺纹“线性度”好坏 的评价。若让位移手柄推动一个直尺。即可测得直尺刻度的准确度。反方向转动位移手柄一 圈，复原。 【注意事项】 1.防尘罩只在做实验室才取掉，做完实验应罩好。 2.本装置中光纤纤芯只有 4μm，若需要微小移动，要轻拿轻放。 3.激光器与光纤之间的耦合器是绝对禁止随意拔插； 4.光纤出头端面，透镜表面均是光学面，绝对禁止用手和不干净的布； 【思考题】 1.如何进行温度传感测量的 2.实验中采取升温过程还是降温过程？为什么？