题目内容
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Y形光纤传感器及应用检测 实验目的 众所周知，在光纤应用领域，继光纤通信技术之后，又出现了一门崭新的光纤
Y形光纤传感器及应用检测
实验目的
众所周知，在光纤应用领域，继光纤通信技术之后，又出现了一门崭新的光纤传感器技术。光纤传感器有功能型和传输型两大类。本实验研究的强度调制型、反射式Y形光纤传感器及其应用检测，就是一种传输型光纤传感器。其目的是，通过实验，熟悉Y形光纤传感器的原理、特点，掌握调试技巧，了解其在位移、密度、粗糙度等测量方面的应用。以便为将来的实际工程应用，打好坚实的基础。
实验内容
(1)Y形光纤传感器的的结构、原理及调整。
(2)用Y形光纤传感器进行位移测量，绘出输出位移特性曲线，找出最大量程。
(3)用Y形光纤传感器进行表面粗糙度测量，求出未知的粗糙度。
(4)用Y形光纤传感器进行光密度测量，求出未知的光密度。
实验设备器材
(1)Y形光纤传感器及其应用实验仪(武汉乐通光电公司的LTOE-OF1型)；
(2)直流稳压电源；
(3)万用表；
(4)标准粗糙度板；
(5)标准光密度片等。
实验基本原理
1．光纤传光与光纤传感器的一般原理
光纤是光导纤维的简称，它是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。如下图所示，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为0.1mm～0.2mm。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播。下面就证实这一原理。
对于阶跃光纤，由于纤芯与包层的折射率均为常数，因此光线在光纤内的传播途径为折线，也如图所示。
假设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2，由折射定律可知，在纤芯与包层分界处，入射角θ1与折射角θ2存在如下关系
n1sinθ1=n2sinθ2
由于纤芯折射率大于包层折射率，即n1＞n2，因此折射角大于入射角，即θ2＞θ1。随着入射角θ1的增大，折射角θ2随之增大。当折射角θ2=90°时，折射消失，入射光线全部被反射，从而发生全反射。根据折射定律，满足全反射条件的最小入射角θc为：
当入射角θ1＞θc时，光线不再进入包层，而是在光纤内不断反射并向前传播，直至从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理。
由图可知，光线从外界介质(例如空气，折射率为n0)射入纤芯后，能够实现全反射的最大入射角θ0应满足
n0sinθ0=n1sinθ'=n1cosθc=n1
式中，n0sinθ0称为数值孔径，用NA表示；与之对应的最大入射角θ0，则称为张角。
数值孔径NA是衡量光纤集光性能的主要参数。其表征的含义在于，无论光源发射的功率多大，只有入射角处于张角θ0内的光线才能被光纤接收，并在光纤内部连续发生全反射，最终传播到光纤另一端。数值孔径NA越大，表示光纤的集光能力越强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出数值孔径NA。例如，石英光纤的数值孔径为NA=0.2～0.4，其对应的张角为11.5°～23.6°。
由于光纤具有一定的柔韧性，实际工作时光纤有可能弯曲，从而使光线“转弯”。但是，只要仍然满足全反射条件，光线仍然能够继续前进，并到达光纤的另一端。
由上可知，光能量在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。一般，纤芯和包层的相对折射率差△n=(n1-n2)/n1的典型值为：单模光纤0.3%～0.6%；多模光纤1%～2%。△n越大，将光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。
由于外界因素(如温度、压力、电场、磁场、振动等)对光纤的作用，引起光波特性参量(如振幅、相位、偏振态等)发生变化。因此人们只要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化，这就是光纤传感器的基本工作原理。
2．Y形光纤传感器的结构原理
反射式Y形光纤传感器是一种传输型光纤传感器。反射式Y形光纤传感器是最基本的、结构最简单的一种非功能型传输型光纤传感器，有人称之为“天线型”光纤传感器。其工作原理是基于光反射系数的变化，如下图(a)所示。光纤采用Y形结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换探测器件接收，探测器件接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小，如图(b)所示。实际应用时，多是将光纤探头调节到离反射面距离光强最大值时固定，然后再作其他应用检测。
由于探测器件接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关，因而可用来检测表面粗糙度、密度，以及位移、转速、微振等。这种反射式Y形光纤传感器是一种强度调制型的非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化等优点。
强度调制型光纤传感器是最早使用的调制方法，其特点是，技术简单、工作可靠、价格低，可采用多模光纤，且光纤的连接器和耦合器已经实现了商品化。光源可采用输出稳定的LED或高强度白炽灯等非相干光源。探测器一般用光敏二极管(VD)、PIN和光电池等。
3．Y形光纤传感器用于位移检测的原理
由图(a)知，当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。因为从光源发出的光束经过入射光纤射向被测表面，经被测物表面直接或间接反射，反射光强经过接收光纤后，由光敏元件接收。传导到光敏元件上的光量，随反射面相对光纤端面的位移d变化，其关系即如图(b)所示。当d很小时，由于这时两光纤的光锥角重叠部分很小，因此反射到接收光纤的光量很少，到达光敏元件的光强较弱；随着d的不断增加，光敏元件的接收光量随之增大并达到最大值，这就是图中曲线Ⅰ段。虽其范围窄，但灵敏度高，线性好，适于测微小位移和表面粗糙度等，测量范围通常在100μm以内。如果d继续加大，则曲线从峰值开始逐渐下降，成为Ⅱ段，其特性与Ⅰ段基本相反。对于这类光纤传感器，其光强响应特性曲线是传感器设计的主要依据。为了提高光强的耦合效率，可采用大数值孔径光纤或传光束。目前，这种传感器的测量位移范围最大约为10mm左右(用特性曲线Ⅱ段)，测量分辨力可达0.05μm，精度最高0.1μm左右(用特性曲线Ⅰ段)。这类传感器包括基于反射原理、遮断式、微弯损耗原理、辐射损耗原理、光弹效应等的光纤位移传感器。
在实际应用中，这种传感器的光纤并不像图(a)所示那样，只是单根的发射和接收光纤，而是由数十或数百根光纤组成的光缆。发射光纤和接收光纤的组合方式，主要有混合式、半球形对半分式、共轴内发射分布和共轴外发射分布四种。其中，混合式的灵敏度高，而对半式的Ⅰ区段范围最大。
用两根光纤(或光缆)沿径向或轴径向相对移动，也可做成位移传感器。一种实用的多模光纤压力一位移传感器的结构和光路原理，如下图所示，两光纤端面对光纤轴有相同的角度、斜断面抛光，以便形成全内反射。两光纤之间的距离很小，只有1～2μm，绝大部分光功率可相互耦合。当有压力作用时，两根光纤之间有相对垂直位移x，改变间隙xg，光纤间的光耦合量发生变化。这种光纤传感器的灵敏度是很高的，即使间隙变化很小，相对输出光强也会有很大的变化。
如下图所示的传感器，所用的多模光纤纤芯d为50μm，位移变化1μm时，可得到2%的光强变化。
4．表面粗糙度检测原理
根据P.Beakmann等人的理论，当一束光射至金属表面时，由于表面的微观不平，反射光将发生漫反射现象。其漫反射光强的表达式为
式中，
散射光强为
上两式中含有Rq，可见，通过测量Is可以计算或评定表面粗糙度，这就是镜面反射法。如果能测得Is和Id，求其比值，同样可以计算或评定表面粗糙度，这是求比值法。由于求比值法和镜面反射法中含有F项或T项，从而带来了表面反射率和表面相关长度的影响，这是造成前述问题存在的主要原因。
从式(27-4)中可以看出，镜面反射光强项中不含有相关长度T。这样，如果单侧镜面反射光强，即可消除表面相关长度的影响。镜面反射光强项中含有F项，其表达式为
=
因此，F可以看做是表面反射率R随θ1，θ2变化的函数。因此在θ1=θ2=0°的情况下，F=R。此时镜面反射光强为
根据这一条件，表面粗糙度检测装置如下图所示。光纤1和光纤2同时以0°角测量表面已知的粗糙度的标准样块和表面粗糙度未知的被测样块的表面反射光强。由于标准样块和被测样块是采用同种材料经相同的加工方法而得到的，因而其表面反射率相同。得到两表面镜反射光强分别为
因此
式中，Rq2为已知，则S为只与Rq1有关的函数，求得比值S，即可以计算或评定出Rq1的值。
5．光密度检测原理
由于是反射式Y形光纤传感器，因而这里主要讨论反射密度D。其定义是，反射密度D是投射到试样上的入射光通量Φi与反射光通量Φf(指在某个反射角范围内)之比的常用对数值。即
也可写成D=logΦi-logΦf(27-12)
但在实际测量中，必须将光通量测量转化成电压测量。对于一个线性系统，光通量转换为电压有下面的关系式
U=KΦ (27-13)
式中，Φ为入射光通量；K为比例系数；U为转换出来的电压。
若Φi与Φf分别转换的电压为Ui与Uf，则由式(27-12)与式(27-13)可得出下式
D=logUi-logUf(27-14)
对反射式光电密度测量，无法获得Ui本身，而是用一密度已知的“标准密度板”，间接地得出Ui。
设“标准密度板”的密度为D1，测量其密度得出信号电压为Uf1，根据式(27-14)可得
D1=logUi-logUf1
于是可得
logUi=D1+logUf1(27-15)
将式(27-15)代入式(27-14)，即可得出测量的密度值表达式为
D=D1+logUf1-logUf(27-16)
答案
