光纖傳感應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)講義

1、光纖傳感應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)GCFS-B實(shí)驗(yàn)講義武漢光馳科技有限公司W(wǎng)uhan Guangchi Technology Co.,LTD 目錄光纖端場(chǎng)傳感實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)4實(shí)驗(yàn)一、LD光源的P-I,V-I特性曲線12實(shí)驗(yàn)二、透射式橫(縱)向光纖位移傳感（光纖數(shù)值孔徑測(cè)量）15實(shí)驗(yàn)三、反射式光纖位移傳感（光纖液位測(cè)量）22實(shí)驗(yàn)四、微彎式光纖位移/壓力傳感28實(shí)驗(yàn)五、光纖端場(chǎng)角度傳感33實(shí)驗(yàn)六、光纖溫度壓力傳感（傳光型）37實(shí)驗(yàn)七、光纖火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)40實(shí)驗(yàn)八、光纖照明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)45前言光纖是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。光纖的出現(xiàn)

2、產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，而光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的.在光通信系統(tǒng)中,光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì),顯然,在這類(lèi)應(yīng)用中,光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界干擾越小越好.但是,在實(shí)際的光傳輸過(guò)程中,光纖易受外界環(huán)境因素影響,如溫度,壓力,電磁場(chǎng)等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng),相位,頻率,偏振,波長(zhǎng)等的變化.因而,人們發(fā)現(xiàn)如果能測(cè)出光波參數(shù)的變化,就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小,于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù).光纖傳感器始于1977年，與傳統(tǒng)的各類(lèi)傳感器相比有一系列的優(yōu)點(diǎn),如靈敏度高,抗電磁干擾,耐腐蝕,電絕緣性好,防爆,光路有撓曲性,便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小

3、,重量輕,耗電少等.光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型.功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,所以也稱為傳感型光纖傳感器,或全光纖傳感器.非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化,光纖僅作為傳輸介質(zhì),傳輸來(lái)自遠(yuǎn)外或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào),所以也稱為傳光型傳感器,或混合型傳感器.光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器,相位調(diào)制光纖傳感器,頻率調(diào)制光纖傳感器,偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)(顏色)調(diào)制光纖傳感器.光纖傳感器按被測(cè)對(duì)象的不同,又可分為光纖溫度傳感器,光纖位移傳感器,光纖濃度傳感器,光纖電流傳感器,光纖流速傳感器,光纖液位傳感器等.光纖

4、傳感器可以探測(cè)的物理量很多,已實(shí)現(xiàn)的光纖傳感器物理量測(cè)量達(dá)70余種.然而,無(wú)論是探測(cè)哪種物理量,其工作原理無(wú)非都是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù),使其隨之變化,然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),從而得到被測(cè)量.因此,光調(diào)制技術(shù)是光纖傳感器的核心技術(shù).鑒于以上專業(yè)背景,我們開(kāi)發(fā)并研制出了光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性,分立式可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光纖傳感的感性認(rèn)識(shí),提高學(xué)生的基本技能.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,從實(shí)驗(yàn)原理,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容到實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)驗(yàn)方法等都很適合工科物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求,將應(yīng)用技術(shù)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)很好的結(jié)合起來(lái).本手冊(cè)僅供使用光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從事物理實(shí)驗(yàn)以及光纖傳感應(yīng)用的教師,學(xué)生和技術(shù)人員參考

5、.限于作者水平,手冊(cè)中謬誤難免,懇請(qǐng)讀者不吝批評(píng)指正.衷心希望在我們的共同努力下,能夠推進(jìn)光纖傳感這一先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和普及.光纖端場(chǎng)傳感實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ) 光纖傳感器一般可分為兩大類(lèi)，即功能型傳感器（Function fiber optic sensor）和非功能型光纖傳感器（Non-function fiber optic sensor）。所謂功能型是利用光纖的本身的特性把光纖作為敏感元件，所以又稱為傳感型光纖傳感器；而非功能則是指利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸敏感區(qū)傳來(lái)的是經(jīng)過(guò)被測(cè)元件調(diào)制了的光信號(hào)，因此，也稱作傳光型傳感器。就外部調(diào)制非功能型傳光型光纖傳感器而

6、言，如反射接收型、直接透射型等，一般是由入射光源光纖、調(diào)制器件和接收光纖組成。接收光纖所收集到的光強(qiáng)隨外界物理擾動(dòng)而變化，其光強(qiáng)響應(yīng)特性曲線是這類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)，大多與光纖出射光場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。因而，光纖出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)于這類(lèi)傳感器的分析和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這類(lèi)傳感器在早期的設(shè)計(jì)中，許多的人都采用了均勻性假設(shè)，即在光纖的數(shù)值孔徑內(nèi)，纖端出射光場(chǎng)的光強(qiáng)沿徑向分布是均勻的。這明顯與實(shí)際不符，只能局限于一定的條件下的近似應(yīng)用。Hoogenboom等人曾提出纖端出射光場(chǎng)強(qiáng)分布可用高斯型函數(shù)來(lái)描寫(xiě)。Takai與Asakura計(jì)算了入射光為激光光源情況下的多模光纖纖端出射場(chǎng)的性質(zhì)，給出的平均強(qiáng)度分布為 (1

7、) 式中 散斑場(chǎng)的相干長(zhǎng)度 光纖芯半徑 光波長(zhǎng) 對(duì)于如下情況：坐標(biāo)參數(shù)z0，光源為相干長(zhǎng)度=0的熱光源，公式(1)失效。為了給出一個(gè)既與實(shí)際相符，又具有通用性的纖端光場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布表達(dá)式，有必要分析一下光纖出射端面的光場(chǎng)特性。首先，按照光纖傳輸?shù)哪Ｊ嚼碚摚诠饫w中光功率按模式分布，在穩(wěn)態(tài)情況下大部分光功率集中分布在基模及低階模附近。疊加后的光纖端面光場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)沿徑向分布可近似由高斯型函數(shù)描寫(xiě)，稱其為準(zhǔn)高斯分布。其次，沿光纖傳輸?shù)墓饪山瓶闯善矫娌ǎ似矫娌▓?chǎng)在纖端出射時(shí)，可等價(jià)近似為平面波場(chǎng)垂直入射到不透明屏的圓孔表面上，形成圓孔衍射，因而實(shí)際情況更接近兩者的某種融合。為分析計(jì)算方便，我們作如下假設(shè)。

8、光纖端面：光場(chǎng)是由光強(qiáng)均勻分布的平面波和光強(qiáng)沿徑向?yàn)楦咚拱l(fā)布的高斯光束兩部分構(gòu)成的；出射光場(chǎng)：纖端出射光場(chǎng)由準(zhǔn)平面波場(chǎng)的圓孔衍射場(chǎng)和在自由空間中傳輸?shù)臏?zhǔn)高斯光束疊加而成。為方便起見(jiàn)，我們借助于復(fù)數(shù)運(yùn)算形式，依上述假設(shè)，在光纖端面光場(chǎng)復(fù)振幅為 (2)這里，p、q為兩光場(chǎng)的權(quán)重系數(shù)，且滿足條件：。 (3) (4)分別代表光纖端面均勻分布的平面波場(chǎng)和沿徑向高斯分布的高斯光場(chǎng)。式中，為高斯光束半徑；為一相關(guān)參數(shù)，于是 (5)上式所描述的場(chǎng)由源平面沿Z軸向自由空間的傳輸可由惠更斯-菲涅耳衍射積分來(lái)描寫(xiě)，依旁軸近似，在XOY平面內(nèi)的光場(chǎng)為 （6）圖1 光纖端光場(chǎng)坐標(biāo)分析系統(tǒng)對(duì)于由圖1，因?yàn)閗>>

9、;1/R，且|r-u|<<z,所以對(duì)R用泰勒展開(kāi)有 (7)為方便計(jì)，取軸的方向（角度由此量起）使=0，則有 (8)考慮到Bessel函數(shù)的積分表達(dá)式 (9)及關(guān)系式 (10)由公式8可得 (11) 對(duì)于有 (12) 于是，點(diǎn)處光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為 (13) 式中，。公式（13）表明，纖端出射光場(chǎng)強(qiáng)度分布是由不同權(quán)重下的高斯分布和平面波場(chǎng)的圓孔衍射分布疊加的結(jié)果。由高斯光束半寬定義，有 (14)為將與光纖芯半徑聯(lián)系起來(lái)，將代入公式（14）有 (15)又依幾何光學(xué)有 (16)這里，為光纖的最大出射角。 實(shí)際上，纖端光場(chǎng)既不是純粹的高斯光束，也不是純粹的均勻分布的幾何光束，為了更好地與實(shí)際情況符

10、合，我們綜合上述兩種近似情況，引入無(wú)量綱調(diào)和參數(shù)，給出修正結(jié)果如下 (17) 實(shí)際使用過(guò)程中，為了方便，對(duì)于漸變折射率分布光纖有時(shí)選??；對(duì)于階躍折射分布光纖通常選。對(duì)于芯徑較粗的多模光纖而言，衍射效應(yīng)基本上被平均化了，即取,。因而對(duì)于大芯徑多模光纖，為使用方便，上式通常取如下形式 (18)式中 由光源耦合到發(fā)送光纖中的光強(qiáng) 纖端光場(chǎng)中位置處的光通量密度 表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù) 與光源種類(lèi)、光纖的數(shù)值孔徑及光源與光纖耦合情況有關(guān)的綜合調(diào)制參數(shù)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 (19)這里，為接收光面積，即纖芯面。 在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為方

11、便計(jì)算，可用接收光纖端面中心點(diǎn)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)公式為 (20)實(shí)驗(yàn)一、LD光源的P-I,V-I特性曲線實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解半導(dǎo)體激光器閾值的概念，測(cè)量半導(dǎo)體激光器工作時(shí)的光功率、工作電壓和工作電流。2.通過(guò)測(cè)量出來(lái)的功率、電壓和電流值，描繪半導(dǎo)體激光器的P-I、V-I曲線，學(xué)習(xí)通過(guò)曲線計(jì)算半導(dǎo)體激光器的閾值。實(shí)驗(yàn)原理常用的半導(dǎo)體光源有半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED).它們的發(fā)光機(jī)理都是非平衡載流子的輻射復(fù)合且都工作于正向偏置狀態(tài).LED的發(fā)射光譜半帶寬比較窄,波長(zhǎng)取決于材料的能帶結(jié)構(gòu)及摻雜情況,半導(dǎo)體激光器能發(fā)出單色性更好

12、的輻射,且功率更強(qiáng),方向集中.典型的波長(zhǎng)有0.85,1.31和1.55.這兩類(lèi)器件都是快速響應(yīng)器件,它們的響應(yīng)時(shí)間為秒數(shù)量級(jí).由于它們具有體積小,重量輕,功耗低.安裝簡(jiǎn)易以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因而這兩種光源不僅成為光纖通信的理想光源,也同樣是光纖傳感器的最常用的光源. 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采用的是LD光源,其中心波長(zhǎng)為1.55。半導(dǎo)體激光器是一個(gè)閾值器件，它的工作狀態(tài)隨注入電流的不同而不同。當(dāng)注入電流較小時(shí)，有源區(qū)里不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位，激光器發(fā)射普通的熒光，其工作狀態(tài)類(lèi)似于一般的發(fā)光二極管。隨著注入電流的增大，有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，

13、諧振腔的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nèi)建立起一定的模式振蕩，激光器發(fā)射的僅僅是較強(qiáng)的熒光，這種狀態(tài)稱為“超輻射”狀態(tài)，只有當(dāng)注入電流達(dá)到閾值以后，才能發(fā)射譜線尖銳、模式明確的激光。 閾值電流（Ith）的測(cè)量方法。、圖5 半導(dǎo)體激光器的工作特性曲線圖5中給出了半導(dǎo)體激光器的典型特性示意圖，其中的曲線是輸出光功率和工作電流的關(guān)系（實(shí)線），虛線是對(duì)功率和電流的關(guān)系一次求導(dǎo)的結(jié)果，劃線是對(duì)功率和電流的曲線的二次求導(dǎo)的結(jié)果。一般對(duì)閾值的描述常用的有下述幾種過(guò)程：a，在P-I曲線的快速上升斷上取其中的線性部分延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)；b，把熒光部分和激光部分分別近似看成兩條直線，那么兩條直線的交點(diǎn)就是閾值；

14、c，在dP-dI的曲線上，取上升沿的中點(diǎn)（10和90兩點(diǎn)的中點(diǎn)）；d，d2P/dI2的頂點(diǎn)作為閾值點(diǎn)。一般在分析半導(dǎo)體激光器的時(shí)候，會(huì)把激光器看成是一個(gè)理想的二極管和一個(gè)電阻串聯(lián)在一起，這個(gè)電阻叫串聯(lián)電阻。這個(gè)串聯(lián)電阻一般是由于電極接觸、雜質(zhì)等原因造成的。半導(dǎo)體激光器（發(fā)光）串聯(lián)電阻（熱）圖6半導(dǎo)體激光器的分析模型考慮到理想的二極管的工作電壓是不變的，那么V-I曲線就應(yīng)該是水平的，為什么圖中是向上傾斜的呢？原因就是串聯(lián)電阻，V-I的斜率就是串聯(lián)電阻的阻值。 實(shí)驗(yàn)步驟1. 取一根多模跳線，接到PIN接收端，另一端接到LD輸出端。2. 接通電源,打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，主機(jī)的液晶屏上將顯示工作電壓V,工作電

15、流I和光功率P三行數(shù)據(jù).按步長(zhǎng)選擇按鍵,選擇想要的步長(zhǎng)(0.25mA,0.5mA,1mA,2mA).按增大電流按鍵增加驅(qū)動(dòng)電流,記錄下每個(gè)狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)電流,工作電壓和功率值。3. 將所得到的數(shù)據(jù)中電流值作為橫坐標(biāo),工作電壓和功率值為縱坐標(biāo),就可以得到P-I,V-I曲線。4. 以上操作屬于手動(dòng)操作,如果用串口線將系統(tǒng)主機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并按下切換鍵（此時(shí)主機(jī)的液晶屏上顯示“通訊中：是”）就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。(計(jì)算機(jī)須提前安裝配套軟件程序)在計(jì)算機(jī)的界面下,也可以實(shí)現(xiàn)以上的測(cè)量,并且可自動(dòng)描出P-I,V-I曲線。除此之外,在軟件中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)P-I曲線的一次微分和二次微分,求出閾值電流。實(shí)驗(yàn)二、透射

16、式橫(縱)向光纖位移傳感（光纖數(shù)值孔徑測(cè)量）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1掌握強(qiáng)度型光纖透射傳感的基本原理與調(diào)制方式； 2了解強(qiáng)度型光纖透射傳感器的理論分析方法、調(diào)制特性曲線及相關(guān)影響因素。實(shí)驗(yàn)原理透射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感原理如下圖所示,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.透射式調(diào)制方式的分析比較簡(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)描述,其光場(chǎng)分布坐標(biāo)如圖所示。依照前面講過(guò)的光纖端出射光場(chǎng)強(qiáng)度分布，當(dāng)z固定時(shí),得到的是橫向位移傳感特性函數(shù),當(dāng)r取定時(shí)(如r=0),則可得到縱向位移傳感特性函數(shù)。 zr接收光纖發(fā)

17、射光纖r圖8 透射式光纖傳感分析模型圖 9 透射式光纖傳感實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)裝置 圖10 實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)步驟1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖連接光路，兩根光纖跳線分別與主機(jī)上的LD輸出端和PIN接收端相連接，并將縱向的螺旋測(cè)微器反方向（逆時(shí)針）調(diào)到初始位置。（注：兩根光纖跳線，分別將帶有ST插芯的一端安裝在光纖探頭固定裝置上，另一端接LD輸出端和PIN接收端。ST插芯比普通的PC插芯要長(zhǎng)一些，通過(guò)對(duì)比觀察即可辨別。）2. 接通電源,按下電源開(kāi)關(guān)，主機(jī)的液晶屏上將顯示工作電壓V,工作電流I和光功率P三行數(shù)據(jù)。按步長(zhǎng)選擇按鍵,選擇2mA步長(zhǎng)。按增大電流按鍵增加驅(qū)動(dòng)電流,使電流達(dá)到最大值。3. 將光纖的發(fā)射端和接收端

18、兩個(gè)光纖端面靠近并對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整四維架和橫向的螺旋測(cè)微器，使光纖的發(fā)射端和接收端保持同軸，此時(shí)主機(jī)液晶屏上顯示的光功率值應(yīng)為最大值。4. 假定此時(shí)縱向螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為零，沿縱向遠(yuǎn)離的方向旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器，每移動(dòng)一定距離（推薦每次變化10-50微米，螺旋測(cè)微器的每一格對(duì)應(yīng)10微米）記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)和相應(yīng)的光功率值，直到光功率值減小到接近零時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。5. 根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪出相應(yīng)的曲線，即縱向光纖位移傳感調(diào)制曲線。6. 測(cè)量橫向光纖位移傳感調(diào)制曲線時(shí)，使發(fā)射端和接收端的光纖端面保持一定距離，調(diào)整同軸。假定此時(shí)橫向螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為零，旋轉(zhuǎn)橫向的螺旋測(cè)微器（每次移動(dòng)10微米），使兩個(gè)光

19、纖端面在徑向上偏離，記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)和相應(yīng)的光功率值，直到光功率值減小到接近零時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。7. 根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪出相應(yīng)的曲線，即橫向光纖位移傳感調(diào)制曲線。8. 以上操作屬于手動(dòng)操作,如果用串口線將系統(tǒng)主機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并按下切換鍵（此時(shí)主機(jī)的液晶屏上顯示“通訊中： 是”）就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。(計(jì)算機(jī)須提前安裝配套軟件程序)在計(jì)算機(jī)的界面下,也可以實(shí)現(xiàn)以上的測(cè)量,并且可由所測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)描出相應(yīng)的曲線進(jìn)行分析。詳情可參見(jiàn)軟件操作說(shuō)明。9. 自己動(dòng)手設(shè)計(jì)基于可見(jiàn)光的對(duì)射式光纖位移傳感系統(tǒng)。光纖傳感應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K上光源驅(qū)動(dòng)的L+和L-接口接光源的LED+和LED-即可驅(qū)動(dòng)白色發(fā)光二極

20、管發(fā)光，可耦合到對(duì)射式或者反射式塑料光纖上，探測(cè)器探測(cè)到的白光通過(guò)PD+和PD-輸出接到探測(cè)器放大處理電路的P+和P-端，VO+和GND輸出接到電壓表，電壓表顯示電壓值及課表是光強(qiáng)的變化。10. 光纖數(shù)值孔徑測(cè)量。光纖數(shù)值孔徑的一種定義是遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑。遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑是通過(guò)測(cè)量光纖遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布來(lái)確定的。它被定義為光纖遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖上光強(qiáng)值下降到最大值的5%處半張角的正弦值，CCITT規(guī)定的就是這種數(shù)值孔徑，如圖：圖中數(shù)值孔徑為：NA= sina=d/式中：z為入射光纖端面和接收光纖端面正對(duì)時(shí)的兩光纖端面間的距離；d為當(dāng)z一定時(shí)，接收光強(qiáng)下降到最大值的5% 時(shí)，入射光纖的出射光在投影屏幕

21、上所形成的光斑的半徑。安裝對(duì)射式光纖傳感器實(shí)驗(yàn)裝置。接收光纖安裝在左側(cè)平移臺(tái)，發(fā)射光纖安裝在右側(cè)平移臺(tái)。 調(diào)節(jié)位移臺(tái)，使兩光纖端面距離為1.5mm，即z=1.5mm，并使得探測(cè)器輸出電壓最大（此時(shí)兩根光纖同軸心）。徑向移動(dòng)右側(cè)接收光纖至接收光強(qiáng)接近于零，沿該方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)位移調(diào)節(jié)器200um，然后反向旋轉(zhuǎn)位移調(diào)節(jié)器100um，以消除螺旋測(cè)微器可能存在的空程誤差。平移探測(cè)光纖，每50um記一個(gè)光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的電壓輸出，直到光強(qiáng)（電壓）增大后減小到不再改變，停止計(jì)數(shù)。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)作出光強(qiáng)分布曲線。根據(jù)曲線求出d值，并計(jì)算出光纖的數(shù)值孔徑值。 實(shí)驗(yàn)三、反射式光纖位移傳感（光纖液位測(cè)量）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 掌握強(qiáng)

22、度型光纖反射式傳感的基本原理與調(diào)制方式；2. 了解強(qiáng)度型光纖反射式傳感器的理論分析方法、調(diào)制特性曲線及相關(guān)影響因素。實(shí)驗(yàn)原理采用的光纖傳感器的原理如圖所示。光纖探頭A由兩根光纖組成，一根用于發(fā)射光，一根用于接收反射回的光，R是反射材料。系統(tǒng)可工作在兩個(gè)區(qū)域中，前沿工作區(qū)和后沿工作區(qū)（見(jiàn)反射式調(diào)制特性曲線）。當(dāng)在后沿區(qū)域中工作時(shí)，可以獲得較寬的動(dòng)態(tài)范圍。圖11 反射式光纖傳感分析模型就外部調(diào)制非功能型光纖傳感器而言，其光強(qiáng)響應(yīng)特性曲線是這類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)。該特性調(diào)制函數(shù)可借助于光纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布函數(shù)給出：式中I0為由光源耦合入發(fā)射光纖中的光強(qiáng)；為纖端光場(chǎng)中位置處的光通量密度；為一表征光纖

23、折射率分布的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于階躍折射率光纖，=1；r為偏離光纖軸線的距離,x為光纖端面與反射面的距離,為光纖芯半徑，為 與光源種類(lèi)、光纖數(shù)值孔徑及光源與光纖耦合情況有關(guān)的綜合調(diào)制參數(shù)。如果將同種光纖置于發(fā)上發(fā)射光纖出射光場(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí)，所接收到的光強(qiáng)可表示為：式中 ，這里，S為接收光面，即纖芯端面。在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為簡(jiǎn)便計(jì)算，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，得在接收光纖終端所探測(cè)到的光強(qiáng)公式為： 圖 12反射式光纖傳感實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)裝置圖13 實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)步驟1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖連接光路，兩根光纖跳線分別與主機(jī)上的LD輸出端和PIN接收端相

24、連接，并將縱向的螺旋測(cè)微器反方向（逆時(shí)針）調(diào)到初始位置。2. 接通電源,按下電源開(kāi)關(guān)，主機(jī)的液晶屏上將顯示工作電壓V,工作電流I和光功率P三行數(shù)據(jù).按步長(zhǎng)選擇按鍵,選擇2mA步長(zhǎng).按增大電流按鍵增加驅(qū)動(dòng)電流,使電流達(dá)到最大值。3. 將發(fā)射端光纖端面和反射物端面靠近并對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整四維架和橫向的螺旋測(cè)微器，使發(fā)射端光纖端面和反射物端面保持同軸。4. 假定此時(shí)縱向螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為零，沿縱向遠(yuǎn)離的方向旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器，每移動(dòng)一定距離（推薦每次變化10-50微米，螺旋測(cè)微器的每一格對(duì)應(yīng)10微米）記錄下螺旋測(cè)微器的讀數(shù)和相應(yīng)的光功率值，直到光功率值減小到接近零時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。5. 根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪出

25、相應(yīng)的曲線，即反射式光纖位移傳感調(diào)制曲線。6. 以上操作屬于手動(dòng)操作,如果用串口線將系統(tǒng)主機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并按下切換鍵（此時(shí)主機(jī)的液晶屏上顯示“通訊中：是”）就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。(計(jì)算機(jī)須提前安裝配套軟件程序)在計(jì)算機(jī)的界面下,也可以實(shí)現(xiàn)以上的測(cè)量,并且可由所測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)描出相應(yīng)的曲線進(jìn)行分析。詳情可參見(jiàn)軟件操作說(shuō)明。7. 自己動(dòng)手設(shè)計(jì)基于可見(jiàn)光的反射式光纖位移傳感系統(tǒng)。光纖傳感應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K上光源驅(qū)動(dòng)的L+和L-接口接光源的LED+和LED-即可驅(qū)動(dòng)白色發(fā)光二極管發(fā)光，可耦合到對(duì)射式或者反射式塑料光纖上，探測(cè)器探測(cè)到的白光通過(guò)PD+和PD-輸出接到探測(cè)器放大處理電路的P+和P-端，VO+

26、和GND輸出接到電壓表，電壓表顯示電壓值及課表是光強(qiáng)的變化。8. 自己動(dòng)手設(shè)計(jì)光纖液位測(cè)量系統(tǒng)。將反射式光纖端面垂直對(duì)著液面，液面可視為反射式光纖位移傳感中的平面反射鏡。實(shí)驗(yàn)四、微彎式光纖位移/壓力傳感實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1掌握光纖彎曲損耗的基本規(guī)律； 2了解光纖彎曲傳感原理與技術(shù)； 3簡(jiǎn)要了解光纖彎曲傳感調(diào)制器的特性。 實(shí)驗(yàn)原理 在光通信領(lǐng)域，光纖彎曲引起的損耗一直備受關(guān)注。D.Marcuse和D.Gloge關(guān)于光纖彎曲引起的模耦合的研究結(jié)果，對(duì)于發(fā)展光纖彎曲損耗的研究領(lǐng)域具有重要的意義。隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今，彎曲引起的損耗已成為一種有用的傳感調(diào)制技術(shù)，業(yè)已開(kāi)展了大量的研究，可以利用光纖的

27、彎曲來(lái)測(cè)量多種物理量。微彎型光纖傳感器的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。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，造成光纖中的能量損耗。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A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，于是纖芯中跑到包層中的光能（即損耗）也將發(fā)生變化，近似的將把光纖看成是正弦微彎，其彎曲函數(shù)為： （1）式中L是光纖產(chǎn)生微彎的區(qū)域，A為其彎曲幅度,為空間頻率,設(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為，則有 。光纖由于彎曲產(chǎn)生的光能損耗系數(shù)是： （2）式中稱為諧振頻率。 （3）圖 14 微彎型光纖傳感分析模型為諧振波長(zhǎng)，和為纖芯中兩個(gè)

28、模式的傳播常數(shù)，當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)模式的光功率耦合特別緊，因而損耗也增大。如果我們選擇相鄰的兩個(gè)模式，對(duì)光纖折射率為平方律分布的多模光纖可得： （4）r為光纖半徑，D為纖芯與包層之間的相對(duì)折射率差。由（3）（4）可得： （5）對(duì)于通訊光纖,。（2）式表明損耗與彎曲幅度的平方成正比，與微彎區(qū)的長(zhǎng)度成正比。通常，我們讓光纖通過(guò)周期為的梳妝結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生微彎，按（5）式得到的Ac一般太小，實(shí)用上可取奇數(shù)倍，即3 、5、7等，同樣可得到較高的靈敏度。圖15 微彎型光纖傳感實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)裝置 圖 16 實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)步驟1根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖連接光路，兩根光纖跳線分別與主機(jī)上的LD輸出端和PIN接收端相連接。2接通電源,

29、按下電源開(kāi)關(guān)，主機(jī)的液晶屏上將顯示工作電壓V,工作電流I和光功率P三行數(shù)據(jù).按步長(zhǎng)選擇按鍵,選擇2mA步長(zhǎng).按增大電流按鍵增加驅(qū)動(dòng)電流,使電流達(dá)到最大值。3將被測(cè)光纖放置在彎曲變形調(diào)制器中。利用螺旋測(cè)微器首先使彎曲變形器與光纖接觸，記錄此時(shí)的光功率值，同時(shí)記錄當(dāng)前螺旋測(cè)微器的讀數(shù)。4然后，每旋進(jìn)50微米記錄一次光功率值，（注意：不要用力壓迫光纖以免光纖被壓斷，當(dāng)光功率值顯示接近零時(shí)停止實(shí)驗(yàn)）將所得數(shù)據(jù)繪成曲線，該曲線即可作為微位移測(cè)量的標(biāo)定曲線，用于微位移檢測(cè)。利用這條曲線可以方便地對(duì)光纖彎曲損耗的特性進(jìn)行研究。5以上操作屬于手動(dòng)操作,如果用串口線將系統(tǒng)主機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并按下切換鍵（此時(shí)主

30、機(jī)的液晶屏上顯示“通訊中： 是”）就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。(計(jì)算機(jī)須提前安裝配套軟件程序)在計(jì)算機(jī)的界面下,也可以實(shí)現(xiàn)以上的測(cè)量,并且可由所測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)描出相應(yīng)的曲線進(jìn)行分析。詳情可參見(jiàn)軟件操作說(shuō)明。6.自己動(dòng)手設(shè)計(jì)基于可見(jiàn)光的光纖微彎傳感系統(tǒng)。光纖傳感應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K上光源驅(qū)動(dòng)的L+和L-接口接光源的LED+和LED-即可驅(qū)動(dòng)白色發(fā)光二極管發(fā)光，可耦合到對(duì)射式或者反射式塑料光纖上，探測(cè)器探測(cè)到的白光通過(guò)PD+和PD-輸出接到探測(cè)器放大處理電路的P+和P-端，VO+和GND輸出接到電壓表，電壓表顯示電壓值及課表是光強(qiáng)的變化。實(shí)驗(yàn)五、光纖端場(chǎng)角度傳感實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握光纖端面角度和損耗的基本規(guī)律； 2

31、了解光纖端場(chǎng)角度傳感原理與技術(shù)；實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)兩根光纖端面間距和角度不同情況下相對(duì)時(shí)，引入的損耗如下式： （1）其中，：是光纖纖芯的折射率；：光纖端面間的介質(zhì)折射率；：光源的波長(zhǎng)；：橫向偏移；：縱向偏移；：角度對(duì)準(zhǔn)誤差；：發(fā)送光纖的模場(chǎng)直徑的1/e；：接收光纖的模場(chǎng)直徑的1/e。光纖端場(chǎng)角度傳感模型光纖準(zhǔn)直器端場(chǎng)角度傳感模型為了排除其它因素的影響，首先要使兩個(gè)光纖端面中心對(duì)準(zhǔn)，即沒(méi)有橫向偏移，調(diào)整并固定兩個(gè)端面的縱向距離，然后就可以進(jìn)行角度傳感實(shí)驗(yàn)。與光纖端面相比，光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度更加敏感，調(diào)整難度也較大一些。實(shí)驗(yàn)裝置 圖 17 實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)步驟1根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖連接光路，兩根光纖跳線分別與主機(jī)上

32、的LD輸出端和PIN接收端相連接，并將縱向的螺旋測(cè)微器反方向（逆時(shí)針）調(diào)到初始位置。（注：兩根光纖跳線，分別將帶有ST插芯的一端安裝在光纖探頭固定裝置上，另一端接LD輸出端和PIN接收端。ST插芯比普通的PC插芯要長(zhǎng)一些，通過(guò)對(duì)比觀察即可辨別。）2接通電源,按下電源開(kāi)關(guān)，主機(jī)的液晶屏上將顯示工作電壓V,工作電流I和光功率P三行數(shù)據(jù).按步長(zhǎng)選擇按鍵,選擇2mA步長(zhǎng).按增大電流按鍵增加驅(qū)動(dòng)電流,使電流達(dá)到最大值。3將光纖的發(fā)射端和接收端兩個(gè)光纖端面靠近并對(duì)準(zhǔn)，將精密角位移臺(tái)調(diào)整到零度角，通過(guò)調(diào)整四維架和橫向的螺旋測(cè)微器，使光纖的發(fā)射端和接收端保持同軸，此時(shí)主機(jī)液晶屏上顯示的光功率值應(yīng)為最大值。4然

33、后，通過(guò)精密角位移臺(tái)上的旋鈕調(diào)整光纖端面的傾斜角度，并實(shí)時(shí)記錄接收到的光功率，將所得數(shù)據(jù)繪成曲線，該曲線即可作為光纖端場(chǎng)角度傳感測(cè)量的標(biāo)定曲線，用于角度檢測(cè)。5以上操作屬于手動(dòng)操作,如果用串口線將系統(tǒng)主機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)并按下切換鍵（此時(shí)主機(jī)的液晶屏上顯示“通訊中： 是”）就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。(計(jì)算機(jī)須提前安裝配套軟件程序)在計(jì)算機(jī)的界面下,也可以實(shí)現(xiàn)以上的測(cè)量,并且可由所測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)描出相應(yīng)的曲線進(jìn)行分析。詳情可參見(jiàn)軟件操作說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)六、光纖溫度壓力傳感（傳光型）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解和掌握傳光型光纖傳感原理； 2光纖溫度和壓力傳感實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)原理在傳輸型光纖傳感器中，光纖本身作為信號(hào)的傳輸線，利用

34、溫度（壓力）電光光電的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度壓力的測(cè)量。主要應(yīng)用在惡劣環(huán)境中，用光纖代替普通電纜傳送信號(hào)，可以大大提高溫度測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力，提高測(cè)量精度。實(shí)際溫度顯示溫度源溫度傳感器溫度信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管探測(cè)器接收探測(cè)信號(hào)處理測(cè)量溫度顯示光纖傳輸光纖溫度傳感原理系統(tǒng)框圖實(shí)際壓力顯示氣壓源壓力傳感器壓力信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管探測(cè)器接收探測(cè)信號(hào)處理測(cè)量壓力顯示光纖傳輸 光纖壓力傳感原理系統(tǒng)框圖溫度控制儀使用說(shuō)明：1、儀表參數(shù)修改，設(shè)定時(shí)的人機(jī)對(duì)話均通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)在第一次使用本產(chǎn)品時(shí)，請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀下面的操作流程。2、注意：在第二設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)AT=0時(shí)，按SET鍵時(shí)間超過(guò)5秒鐘將退出設(shè)定狀態(tài)，進(jìn)入

35、正?？刂茽顟B(tài)。 在第二設(shè)定狀態(tài),當(dāng)AT=1時(shí),按SET鍵時(shí)間超過(guò)5秒,系統(tǒng)將退出設(shè)定狀態(tài)并自動(dòng)進(jìn)入自整定尋優(yōu)狀態(tài) 在自整定工作狀態(tài),按SET鍵后,系統(tǒng)將進(jìn)入設(shè)定狀態(tài),并退出自整定狀態(tài),你若要重回自整定狀態(tài)時(shí),則可把AT再設(shè)置成1后退出。 在設(shè)定狀態(tài)設(shè)定完成后,如不按正確操作退出設(shè)定狀態(tài),超過(guò)30秒后,系統(tǒng)將自動(dòng)退出設(shè)定狀態(tài),你前次所設(shè)定參數(shù)被宣布無(wú)效。 3、設(shè)定字符解釋：以下字符每按一次SET鍵后依次出現(xiàn)，根據(jù)不同功能有些字符可能在你所選用的儀表中不存在。 實(shí)驗(yàn)步驟1、傳導(dǎo)型光纖溫度傳感器測(cè)溫度原理實(shí)驗(yàn)1.1集成溫度傳感器插入主機(jī)箱上散熱塊，連線按照顏色對(duì)應(yīng)接入主機(jī)箱溫度傳感器接口。光纖兩端分

36、別插入光纖傳感應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K光源和探測(cè)器孔。1.2將模塊箱、上的輸出Vo+、GND和電壓表的+、-相連，A+和GND上下兩個(gè)插孔接電流表的+、- 輸入插孔。L+和L-接光源LED+和LED-，PD+和PD-接P+和P-。1.3打開(kāi)主機(jī)箱電源，再打開(kāi)溫控儀電源開(kāi)關(guān)和致冷器開(kāi)關(guān)。溫度從10開(kāi)始，儀表每隔5，記錄一次電壓表讀數(shù)。當(dāng)溫度加熱與冷卻平衡時(shí)，即溫控儀的顯示的溫度穩(wěn)定不變時(shí)，記下主機(jī)箱電壓表的讀數(shù),填入下表，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作實(shí)驗(yàn)曲線。溫控儀()101520505560電壓表(V)2、傳導(dǎo)型光纖壓力傳感器測(cè)壓力原理實(shí)驗(yàn)1、氣壓表接主機(jī)箱面板氣壓輸出接口。2、將模塊箱、上的輸出Vo+、GND和

37、電壓表的+、-相連，A+和GND上下兩個(gè)插孔接電流表的+、- 輸入插孔。L+和L-接光源LED+和LED-，PD+和PD-接P+和P-。3、打開(kāi)主機(jī)箱電源，再打開(kāi)氣壓電源開(kāi)關(guān)。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)使氣壓從7KPa開(kāi)始，根據(jù)表1，記錄主機(jī)箱電壓表讀數(shù)（待氣壓表指針?lè)€(wěn)定后再讀數(shù)）,填入下表，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作特性曲線。壓力KPa7891012141618U(V)實(shí)驗(yàn)七、光纖火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握透射式光纖測(cè)量煙霧原理與方法2.掌握反射射式光纖測(cè)量煙霧原理與方法 實(shí)驗(yàn)原理1.反射式光纖煙霧傳感器 下是反射式光纖煙霧傳感器原理圖， 設(shè)為光源種類(lèi)及光源跟光纖耦合情況有光的調(diào)制參數(shù)，為煙霧吸收光強(qiáng)系數(shù)，

38、為煙霧散射光強(qiáng)系數(shù)，c為煙霧濃度則有：其中c為光纖最大孔徑角當(dāng)探頭距離反射面較小時(shí)且光源與輸入光纖耦合較好，采用準(zhǔn)共路光纖，則0，則上式變形為：其中： 再對(duì)上式展開(kāi)忽略高階項(xiàng)，近似得到：由上式知道：z一定時(shí)，增大時(shí)，靈敏度增大；煙霧濃度c增大，靈敏度增大；散射光強(qiáng)系數(shù)增大，靈敏度增大。一般吸收光強(qiáng)系數(shù)為定值，當(dāng)濃度c增大時(shí)，散射光強(qiáng)系數(shù)也增大2.透射式光纖煙霧傳感器 透射式光纖煙霧傳感器原理圖圖中，當(dāng)移動(dòng)接收光纖時(shí)，其接收到的光強(qiáng)大小不一樣，當(dāng)兩根光纖纖芯對(duì)準(zhǔn)時(shí)并且緊緊靠在一起時(shí)接受光纖接收到的光強(qiáng)最強(qiáng)；兩光纖間距越大，發(fā)射光纖發(fā)射出來(lái)的光斑面積越大，單位面積上的接收到的光強(qiáng)越弱；即兩光纖間距

39、越大，接收光纖接收到的光強(qiáng)越小。發(fā)射光纖（輸入光纖）輸出的光強(qiáng)為高斯函數(shù)，當(dāng)兩光纖共軸時(shí)，接收光纖接收到的光強(qiáng)I與其縱向移動(dòng)間距z近似為線性關(guān)系，當(dāng)有煙霧作用時(shí)，接收光纖接收到的光強(qiáng)為：再對(duì)上式展開(kāi)忽略高階項(xiàng)，近似得到：由上式知道：z一定時(shí)，增大時(shí)，靈敏度增大；煙霧濃度c增大，靈敏度增大；散射光強(qiáng)系數(shù)增大，靈敏度增大。一般吸收光強(qiáng)系數(shù)為定值，當(dāng)y煙霧濃度c增大時(shí)，散射光強(qiáng)系數(shù)也增大實(shí)驗(yàn)步驟1、反射式光纖傳感器煙霧報(bào)警實(shí)驗(yàn)1.1按照上圖把反射式光纖傳感器安裝在光纖支架上，發(fā)射端、接收端分別插入光纖傳感器模塊上的光源座孔和探測(cè)器座孔上。1.2探測(cè)器放大處理電路的輸出端對(duì)應(yīng)街道超低頻報(bào)警處理電路輸入

40、端。1.3.用煙霧噴向探頭，觀察報(bào)警處理電路指示燈變化情況并分析。2、透射式光纖傳感器器煙霧報(bào)警實(shí)驗(yàn)1.1按照上圖把對(duì)射式光纖傳感器安裝在光纖支架上，發(fā)射端、接收端分別插入光纖傳感器模塊上的光源座孔和探測(cè)器座孔上。1.2探測(cè)器放大處理電路的輸出端對(duì)應(yīng)街道超低頻報(bào)警處理電路輸入端。1.3.用煙霧噴向探頭，觀察報(bào)警處理電路指示燈變化情況并分析。3、光纖溫度傳感報(bào)警實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)八、光纖照明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解并掌握光纖照明系統(tǒng)的原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理光纖照明是最近幾年來(lái)一種新興的照明方式。由于光纖自身所具有的一些獨(dú)特物理特性，光纖照明被應(yīng)用在室內(nèi)裝飾照明、局部效果照明、廣告牌照明、建筑物室外公共區(qū)域的

41、引導(dǎo)性照明、室內(nèi)外水下照明和建筑物輪廓及立面照明之中，并且已經(jīng)取得了良好的照明效果。1、光纖照明的特點(diǎn)1.1單個(gè)光源可具備多個(gè)發(fā)光特性相同的發(fā)光點(diǎn)；1.2光源易更換，也易于維修；1.3發(fā)光器可以放置在非專業(yè)人員難以接觸的位置，因此具有防破壞性；1.4無(wú)紫外線、紅外線光，可減少對(duì)某些物品如文物、紡織品的損壞；1.5發(fā)光點(diǎn)小型化，重量輕，易更換、安裝，可以制成很小尺寸，放置在玻璃器皿或其他小物體內(nèi)發(fā)光形成特殊的裝飾照明效果；1.6無(wú)電磁干擾，可被應(yīng)用在核磁共振室、雷達(dá)控制室等有電磁屏蔽要求的特殊場(chǎng)所之內(nèi)；1.7無(wú)電火花，無(wú)電擊危險(xiǎn)，可被應(yīng)用于化工、石油、天然氣平臺(tái)、噴泉水池、游泳池等有火災(zāi)、爆炸性

42、危險(xiǎn)或潮濕多水的特殊場(chǎng)所；1.8可自動(dòng)變換光色；1.9可重復(fù)使用，節(jié)省投資；1.10柔軟易折不易碎，易被加工成各種不同的圖案；系統(tǒng)發(fā)熱低于一般照明系統(tǒng)，可降低空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗。2、光纖照明系統(tǒng)組成2.1發(fā)光器發(fā)光器即光源裝置。根據(jù)其內(nèi)部所配光源不同，一般分成鹵鎢燈系列、金鹵燈和LED燈系列。其中鹵鎢燈光源功率一般為50W或75W，輸入電壓為交流12V（裝置自帶電源變壓器），適用于博物館或展覽館等對(duì)溫濕度及紫外線、紅外線有特殊控制要求的場(chǎng)所；金鹵燈光源功率一般為150W或200W，輸入電壓為交流220V，適用于建筑物輪廓照明及立面照明等光亮度要求較高的場(chǎng)所。LED燈光源功率一般在50W以下。本

43、實(shí)驗(yàn)儀使用的為16W單頭帶遙控的LED光源器，可發(fā)出13種顏色光。該裝置自帶電源插頭，適用的電源為交流220V，50Hz。2.2發(fā)光導(dǎo)體 發(fā)光導(dǎo)體一般由塑料或玻璃纖維束或單根塑料纖維構(gòu)成，考慮到傳輸過(guò)程中的光衰減，其長(zhǎng)度一般不超過(guò)30m?？赏ㄟ^(guò)系統(tǒng)串聯(lián)解決。常見(jiàn)的發(fā)光導(dǎo)體有以下幾種：端面發(fā)光光纖光纖外覆非常薄的塑料或玻璃纖維涂層，防止光線外瀉，其外有一層不透明的襯層和一層塑料、橡膠或金屬絲制的耐熱、抗紫外線保護(hù)套（用于保護(hù)和支撐光纖）。通體發(fā)光光纖光纖采用特殊結(jié)構(gòu)，可通體發(fā)光，其外有一層透明的襯層和一層耐熱、抗紫外線的PVC透明保護(hù)套。流星光纖也稱為閃點(diǎn)光纖光纖采用特殊結(jié)構(gòu)，可發(fā)出星星閃爍般光

44、芒。2.3終端附件各種光纖的末端，均可根據(jù)實(shí)際需要配置終端附件。有筒燈型、配透鏡型（可聚光或發(fā)散光）、地面專用型以及水下型終端。本實(shí)驗(yàn)配置的為水晶珠，可以為實(shí)際照明提供不同效果。3、光纖照明典型應(yīng)用由于光纖照明所具有的許多特點(diǎn)，使得它的應(yīng)用是廣泛的，現(xiàn)根據(jù)不同的使用地點(diǎn)和使用效果對(duì)其典型應(yīng)用進(jìn)行分析說(shuō)明。3.1電視會(huì)義桌面照明采用末端發(fā)光系統(tǒng)，配置聚光透鏡型發(fā)光終端附件由頂部垂直照射，在桌面形成點(diǎn)狀光斑，透合與會(huì)人員讀寫(xiě)而不影響幻燈投影講解的進(jìn)行（在一般照明燈具關(guān)閉或亮度調(diào)低的情況下）。 3.2置于頂部較高、難于進(jìn)行維護(hù)或無(wú)法承重的場(chǎng)所的效果照明將末端發(fā)光系統(tǒng)用于酒店大堂高大穹頂?shù)臐M天星造型，

45、配以發(fā)散光透鏡型發(fā)光終端附件和旋轉(zhuǎn)式玻璃色盤(pán)，可形成星星閃閃發(fā)光的動(dòng)態(tài)效果，遠(yuǎn)非一般照明系統(tǒng)可比。3.3建筑物室外公共區(qū)域的引導(dǎo)性照明采用落地管式（線發(fā)光）系統(tǒng)或埋地點(diǎn)陳指引式（末端發(fā)光）系統(tǒng)用于標(biāo)志照明，同一般照明方式相比減少了光源維護(hù)的工作量，且無(wú)漏電危險(xiǎn)。3.4室外噴泉水下照明采用末端發(fā)光系統(tǒng)，配置水下型終端，用于室外噴泉水下照明，且可由音響系統(tǒng)輸出的音頻信號(hào)同步控制光亮輸出和光色變換。其照明效果及安全性好于普通的低壓水下照明系統(tǒng)，并易于維護(hù)，無(wú)漏電危險(xiǎn)。3.5建筑物輪廓照明及立面照明采用線發(fā)光系統(tǒng)與末端發(fā)光系統(tǒng)相結(jié)合的方式，進(jìn)行建筑物輪郭及立面照明。如香港中銀大廈外立面圣誕節(jié)裝飾照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)圖案新潮，色彩變化豐富。其施工方便，安裝周期短，具有較強(qiáng)的時(shí)效性