一、实验目的

1.了解光纤数值孔径测试实验系统的基本构造和原理，熟悉各个部分，学习和掌握正确使用方法。

2.了解和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和使用方法。

3.了解和掌握光纤数值孔径的几种测试方法。

二、实验仪器

实验仪器包括光纤数值孔径测试试验系统主机、反射式光纤位移传感器、对射式光纤位移传感器、二维调节架、准三维调节架、反射镜、带刻度白屏及光学导轨等。

其中，主机面板上的发射法兰盘内置的亮白光LED，电流调节是调节LED的工作电流，并通过数显电流表显示其大小，（0-15mA）。接收法兰盘内置高灵敏度光敏二极管，用以接收光纤传感器接收到的光强，并通过相关的电路将所接收到的光强转换为相应的电压值，通过数显电压表显示。电压表量程分三档，分别是0.2V(200mV)，2V和20V。二维调节架固定反射式光纤传感器的发射/接收探头端。二维三维调节架上根据需要可分别插入反射镜，白屏及对射单芯光纤。

三、实验原理

1.光纤传感技术的形成及其特点

光纤传感技术是一门崭新的技术，是传感器的新成就。是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的。

光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术中。但是，在实际光通信过程中发现，光纤受到外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等变化。因此，科技人员推测，如果能测出光波量的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就出现了光纤传感技术。

光纤传感器与传统的传感器相比有许多特点，如灵敏度高，结构简单，体积小，耗电量少，耐腐蚀，绝缘性好，光路可弯曲，以及便于实现遥测等。因此它一出现就受到广泛重视，而且发展很快。

光纤传感技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。而我们本实验只是从实用角度出发，用易于理解的方式阐明理论，重点是放在应用上，严格的理论证明请查阅有关文献。

2.光纤传感器的组成分类

光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件。光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器；另一类是光纤仅仅起到传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器，它称为传光型传感器，而传光型又分为两种，一种是将敏感元件置于入射与接收光纤中间，在被测对象的作用下，或使敏感元件遮断光路，或使敏感元件的光穿透率发生变化，这样，光探测器所接收的光量便成为被测对象调制后的信号；另一种是在光纤一端设置敏感元件加发光元件，而发光元件的发光强度作为测量所得的信息。显然，要求传光型传感器能传输的光量越多越好，所以它主要用多模光纤构成；而功能性传感器主要靠被测对象调制成改变光纤的传输特性，所以只能用单模光纤构成。

根据对光调制的手段不同，光纤传感器又有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制、波长调制等不同工作原理的光纤传感器。

根据被测参量不同，又可分为位移、压力、温度、速度、加速度、振动、应变、电压、电流、磁场等各种光纤传感器。

3.本实验中，反射式光纤位移传感器的光纤发射/接收探头端面如下图1所示

图1 光纤传感器探头端面示意图

其中，Φ1的光纤用于光输出，16根Φ0.265的光纤用于接收反射镜反射的光。整个反射式位移传感器采用Y型结构，如图2所示

图2 Y型反射式光纤位移传感器结构示意图

当在发射/接收探头前放置一可移动的反射体时，如图3

图3 反射式光纤传感器工作原理

LED白光源发出的光源发射光纤照射到反射体上，被反射体反射的光经接收光纤传至光电三极管，光电三极管把所接收到的光信号转换为电信号—电压。其输出光强的大小取决于反射体距光纤探头的距离X。通过对光强（实际上是输出电压）的检测来得到位移量。如果反射体为一平面，则反射式光纤位移传感器的输出特性曲线如图4所示。

图4 反射式光纤位移传感器输出特性曲线图

4.对射式光纤位移传感器的工作原理

对射式光纤位移传感器的结构如图5所示

图5 对射式光纤位移传感器结构示意图

LED白光源发出的光经反射光纤输出，接收光纤接收到来自发射光纤的光传送到光电转换元件—光电三极管，再经光电三极管将所接收到的光信号转换为相应的电信号—电压。其接收到的光强大小取决于对射的二根光纤端面之间的距离X，通过对光强的检测得到位移量。当然我们也可以让两根芯径相同光纤的端面对准，中间间距只留1-2µm，光可以几乎无损耗的通过。如果因移动光纤发生位移引起两束光中心轴错位，就会增加光的损耗。光纤移动后得到的光强和两段光纤中心重叠部分的面积（见图6中阴影部分）成正比。

图6 横向位移时的损耗

利用此原理，可以设计出用于不同测量目的的光纤位移传感器。

主营产品：滑坡预警监测仪、裂缝位移计、裂缝报警器，扬尘监测仪、多参数水质监测仪。

主营业务：万能材料试验机，拉力机、干燥箱恒温恒湿老化箱系列。