透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減實(shí)驗(yàn)
 

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

  1．了解透射式強(qiáng)度調(diào)制的機(jī)理；

  2．掌握幾種透射式強(qiáng)度調(diào)制的方法；

  3．重點(diǎn)掌握透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減速的方法。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

  1．SYG多功能光纖實(shí)驗(yàn)儀；

2．SYG-DC透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減器（圖6）。

圖6  SYG-DC透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減器

三、實(shí)驗(yàn)原理

透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減器由發(fā)射光纖、自聚焦透鏡、接收光纖、遮光片等部分組成。

1．自聚焦透鏡

設(shè)自聚焦透鏡的折射率分布為：

式中n（r）為距軸r處的折射率；n0為軸上的折射率；A為聚焦常數(shù)。對(duì)于近軸光，光線在自聚焦透鏡中的光路為正弦曲線，對(duì)于1/4節(jié)的自聚焦透鏡，其焦距和主焦點(diǎn)位置由下式給出：

焦點(diǎn)和主點(diǎn)位置如圖（圖7）所示，由此可見(jiàn)，焦點(diǎn)在自聚焦透鏡端面，主點(diǎn)在透鏡內(nèi)部，且有。

圖7   自聚焦透鏡

2．透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減的基本原理

透射式光無(wú)極衰減的基本原理是，在發(fā)射光纖與接收光纖之間加置一定形式的光，對(duì)進(jìn)入接收光產(chǎn)生一定程度的遮擋，外界信號(hào)通過(guò)控制光的位移來(lái)約遮光程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)的調(diào)制。光的形式很多，本實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的遮的光片式。透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減的示意圖如圖8所示。

圖8  遮光片

接收光纖接收到的光功率可近似表示為：

式中x為位移，r為自聚焦透鏡的半徑，k為常數(shù)。

3．其他光強(qiáng)調(diào)制方式簡(jiǎn)介

如圖9a所示，采用雙透鏡系統(tǒng)使入射光纖在出射光纖上聚焦成像，遮光屏在垂直于兩透鏡的光傳播方向上下移動(dòng)。這種傳感器光耦合計(jì)算方法與反射式感器是一樣的。比值與可移動(dòng)遮光屏及兩透鏡間半徑為r的光柱相交疊面積的百分比a：

也可以用圖10的曲線表示。用這種結(jié)構(gòu)式制作的傳感器靈敏度可達(dá)到變化范圍的百分之一。

圖9 a（上圖）帶透鏡結(jié)構(gòu)；b（下圖）不帶透鏡結(jié)構(gòu)

圖10

不同透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)，見(jiàn)圖9b。這種結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但也能很好地工作。只是接收光纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，使光耦合系數(shù)減小，靈敏度也減小，靈敏度也降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，用心徑為200，數(shù)值孔徑為0.5的光纖，兩光纖間隔為1mm，系數(shù)=1/3，給出的分辨率為光纖半徑的0.1%，即0.1，而且可測(cè)位移的動(dòng)態(tài)范圍小，僅為光纖芯徑200。

在簡(jiǎn)單的遮光屏透射式光強(qiáng)調(diào)制基礎(chǔ)上，還可以改進(jìn)提高測(cè)量的靈敏度。比如，對(duì)遮光屏加以改進(jìn)。如圖11所示，遮光屏是由等寬度、交替地排列著的透明區(qū)和不透明區(qū)的光柵組成，其中一支為固定光柵，另一支為可移動(dòng)光柵。于是，通過(guò)這一對(duì)光柵遮光屏的透射率，在此遮光屏的空間周期內(nèi)，光的透射率從50%（當(dāng)兩個(gè)屏完全重疊時(shí)）變到零（當(dāng)一個(gè)屏的不透明條完全覆蓋住另一個(gè)屏的透明部分）。在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出的強(qiáng)度是周期性的。而且它的分辨率在光柵條紋間距的10-6數(shù)量級(jí)以內(nèi)。這是能夠構(gòu)成很靈敏、很簡(jiǎn)單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。

圖11

圖12 透射式光強(qiáng)調(diào)制原理

光強(qiáng)度調(diào)制可以采用圖12所示的遮光式。發(fā)射光纖與接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在移動(dòng)的遮光板上，使接收光纖只能接收到發(fā)射光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。圖12（a）所示為動(dòng)光結(jié)式光強(qiáng)調(diào)制模型，用來(lái)測(cè)量位移、壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對(duì)于發(fā)射光纖錯(cuò)開(kāi)一段距離，光強(qiáng)按圖12（b）所示的曲線減弱。圖中D是纖芯直徑。由圖中曲線可知光強(qiáng)度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。

四、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及操作要點(diǎn)

1．連接光路，即將透射式光強(qiáng)無(wú)極衰減器的光纖適配器分別與多功能光纖實(shí)驗(yàn)儀的PIN接口及LED接口相連；

2．接通電源；

3．轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微器，觀察光功率值的變化，將光功率值最大的點(diǎn)作為位移值的零點(diǎn)；

4．改變螺旋測(cè)微器的值，讀取一組讀數(shù)，做出強(qiáng)度一位移曲線；

5．對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。