光纤传感器实验与

光纤传感器设计

指导教师：苑立波，教授 / 博士哈尔滨工程大学 物理实验教学中心

实验导言 传感器是什么？ 何谓光纤传感器？ 有关光纤的若干概念 最基本的反射式光纤传感器 光纤传感器有什么用？ 特性实验——位移传感 应用拓展——传感器设计

实验导言 传感器是什么？ 何谓光纤传感器？ 有关光纤的若干概念 最基本的反射式光纤传感器 光纤传感器有什么用？ 特性实验——位移传感 应用拓展——传感器设计

实验导言 传感器是什么？ 何谓光纤传感器？ 有关光纤的若干概念 最基本的反射式光纤传感器 光纤传感器有什么用？ 特性实验——位移传感 应用拓展——传感器设计

光纤的来历

1870 年 ,英国皇家学会的 John Tyndall

演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。

光纤的几何结构光纤的几何结构

几种典型的光纤结构

光纤的拉制过程光纤的拉制过程

Distribution of output optical field at the end of fiber

r

Z

22/30

20

2

2

22/30

20

20

])/(1[exp

])/(1[),(

aza

r

aza

IzrI

m 89.0

1

ma 1000

081.0

Wavelength

Core Radius

Parameters

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Reflective modulating principle

Fiber optic sensor calibration curve

Reflective fiber optic sensing system

Demonstration of reflective modulating processing

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Reflective fiber optic sensor probe

Sensor head construction

Fiber optic displacement sensor

Schematic sensor block diagram

Fiber optic pressure sensor for using in a marine diesel engine

Fiber optic sensor monitoring displacement

Fiber optic sensor for vibration measuring

Fiber optic pressure sensor diaphragm based on reflective modulation

Testing cantilever beam deflection by using fiber optic sensor

实验导言 传感器是什么？ 何谓光纤传感器？ 有关光纤的若干概念 最基本的反射式光纤传感器 光纤传感器有什么用？ 特性实验——位移传感 应用拓展——传感器设计

实 验 目 的 了解掌握：“光纤传感实验仪”的基本构造和带

尾纤的光电器件； 定量测量：掌握光纤端光场的径向分布和轴向分

布特点及测量方法并进行定量测量； 学习掌握：反射接收（一个发光、一个或两个接

收光）的光纤端光场分布的特性曲线， 学习掌握最简单、最基本的光纤位移传感器及补偿式光纤位移传感器的原理和应用方法。

学习与研究：通过实验采集数据，把数据画成曲线，分析曲线找规律，思考如何将其用于传感器设计？

光纤端光场分布的测量

}])/(1[

exp{])/(1[ 22/3

020

2

2

22/30

20

20

cc tgaza

r

tgaza

II

光纤端光场轴向分布

纤端光场轴向分布实验曲线

纤端 光 场（ 纵 向）

0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

3

3. 5

4

4. 5

5

5. 5

0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4

mm)纵向坐标（

(v)

光强电压转换值 1系列

光纤端光场径向分布（一）

0

0. 1

0. 2

0. 3

0. 4

0. 5

0. 6

0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4

mm)横向坐标（

(I/I

光强

0 )

z=0. 5mmz=1mm

纤端光场径向分布理论曲线

200微米芯径光纤端场分布实验值（归一化）

0

0. 1

0. 2

0. 3

0. 4

0. 5

0. 6

0. 7

0. 8

0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5

mm)横向坐标（

光强（归一化值）

z=0. 5mmz=1. 0mm

光纤端光场径向分布（二）

纤端光场径向分布实验曲线

反射式光场分布测量

I xA()

IA0

R

A等效镜面光纤接收光纤

光源光纤

X

r

xx

（b）等价光纤坐标系统（a）光纤探头示意图

f d xa

R x

d

R x( , )

( )exp

( )

02

2

2

22 2

R x a x a( ) [ ( / ) ]/ 0 03 21

反射式光场分布曲线

0

20 40

60

80100

120140160

180

0 1 2 3 4 5

位移(mm)

输出

(mV)

理论曲线

实验测试数据

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补偿式光纤探头反射式光场

)2(

3exp/

2

2

21 x

dII

])/(1[)( 2/300 axax

反射式光场分布曲线

012

34567

89

10

0 2 4 6 8 10 12位移/ mm

输出电压

/V

反射式光场分布曲线

0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

3

3. 5

0 20 40 60

Question 1: Could we developing the fiber optic sensor from 1-D micro-angle sensing to 2-D fiber optic micro-angle sensing?

Question 2: Could we developing a 2-D fiber optic roughness sensor ?

实 验 内 容 (30)

1、光纤端光场轴向分布的测量； 在坐标纸上画出（或用 Excel 打印）曲线2、光纤端光场径向分布的测量； 在坐标纸上画出（或用 Excel 打印）曲线

（实验结果为两条实验曲线）

实 验 内 容 (31)

1、反射式光纤位移传感器的调制特性曲线的测量（ I1 ～ x和 I2 ～ x曲线） 。

在坐标纸上画出（或用 Excel 打印）曲线2、验证补偿效果（ I1/I2 ～ x曲线）。 在坐标纸上画出（或用 Excel 打印）曲线

光纤传感器的设计

已知条件：典型的单发射、双接收反射式光纤补偿型维位移传感探头；

设计思考：如何利用补偿原理实现温度测量、压力测量、固体线膨胀系数测量、金属杨氏模量的精密测量等？

知识总结：所有能够转变成微位移的物理量是否都可以用该探头实现测量？

实验注意事项1、光纤探头已固定在调节架上，未经允许

不得拆卸，擅自拆卸造成损失后果自负；2、实验操作过程中切不可使光纤探头与反

射镜相撞或光纤探头与光纤探头相撞，以免损坏光纤探头；

3、严格按讲义上实验步骤进行操作，不得擅自改变各实验参数。

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