本发明涉及一种光纤通讯和光纤传感技术。特别是涉及一种能够通过实验掌握光纤和光纤光栅的基本特性，光纤和光纤光栅传感器的基本结构，光纤和光纤光栅传感器的基本原理，光纤和光纤光栅传感测量的基本方法和原理的纤维光学实验仪。

纤维光学技术是20世纪最重要的科技进步之一，特别是现代光纤通讯、光纤和光纤光栅传感。光纤通讯、光纤和光纤光栅传感器是近几年高速发展的新型技术，光纤通信的特点是信息容量大，传输距离长，抗电磁干扰能力强。光纤和光纤光栅传感器可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势：如防爆，抗电磁干扰，抗腐蚀，抗震动，耐高温，体积小，重量轻，灵活方便，特别能在恶劣环境下使用。分布式光纤传感器除了以上的优点外，它能够测量传感光纤所在的任何一点的信号。目前市场广泛应用的有光时域反射仪(OTDR)、光频域反射仪(OFDR)和各种干涉仪，例如M-Z干涉仪等。分布式光纤传感器属于强度检测，它们共同存在的问题是易受光源起伏、光纤弯曲、器件老化等影响它们的测量精度和可靠性。而且，每一种实验涉及一个仪器，使用也不方便。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够进行多种光纤和光纤光栅实验的纤维光学实验仪。
本发明所采用的技术方案是：一种纤维光学实验仪，包括有纤维光学实验仪主机、光学干涉实验仪和光学实验仪，三者通过光纤传输线相互连接，其中，纤维光学实验仪主机内设置有：与电源相连接的激光器，接收激光器发出的光源的1×2耦合器，分别接收1×2耦合器的两路输出光的宽带光源装置和光放大器，经宽带光源装置输出的宽带光源到宽带光源输出的跳线连接头构成供实验用的宽带光源；具有双功能的光纤光栅传感器输出的窄带信号通过1×2耦合器和2×2耦合器及跳线连接头输入给光放大器，宽带光源和窄带信号共同经光放大器被放大后构成放大输出经跳线连接头输出，从而形成放大器实验；还设置有可调光纤光栅，当可调光纤光栅的波长与光纤光栅传感器的波长相等时，其光经2×2耦合器、光电二极管及功率放大器构成增益输出至跳线连接头，从而形成增益实验。
所述的纤维光学实验仪主机内还设置有：用于显示光强的输出功率的结构，包括有接收宽带光源信号的跳线连接头，接收经跳线连接头输入的宽带光源光信号的功率计，显示其功率的功率显示器；在纤维光学实验仪主机内，当光纤光栅传感器的信号沿1×2耦合器、2×2耦合器可调光纤光栅传输时，构成线性滤波实验，其滤波信号经跳线连接头输出；所述的纤维光学实验仪主机内，将光纤光栅传感器换成长周期光纤光栅，并沿着：宽带光源信号经跳线连接头通过1×2耦合器到长周期光纤光栅，又反射到1×2耦合器，通过2×2耦合器到可调光纤光栅，经跳线连接头输出，完成长周期光纤光栅图谱实验，并通过可调光纤光栅的选择描绘出光纤光栅的反射谱和透射谱。
所述的纤维光学实验仪主机内，还设置有激光实验结构，包括有与宽带光源信号通过1×2耦合器、2×2耦合器到光纤光栅，再反射到2×2耦合器，又经1×2耦合器、2×2耦合器至激光输出跳线连接头。
所述的纤维光学实验仪主机的面板上设置有：与主机内信号输出的跳线连接头相连的信号输出接口；与主机内增益输出跳线连接头相连的增益输出接口；与主机内放大输出跳线连接头相连的放大输出接口；与主机内滤波输出跳线连接头相连的滤波输出接口；与光学实验仪面板上的温度传感器输出接口相连的信号输入接口；与主机内激光输出跳线连接头相连的激光输出接口；与主机内接收光信号的跳线连接头相连的光强输入接口；与主机内的宽带光源输出的跳线连接头相连的宽带输出接口和宽带输入接口；与光学干涉实验仪和光学实验仪的传感输出接口相连的传感输入接口；显示屏；功率计选择纽；电压和功率选择纽中的一种；电压和电流选择纽中的一种；波长调谐旋纽；功率调谐旋纽；所述的光学干涉实验仪内设置有用于作光纤干涉实验的光纤M-Z干涉实验结构和光纤迈克尔逊干涉实验结构；光学干涉实验仪的面板上设置有：接收纤维光学实验仪主机宽带光源光信号的宽带输入接口和宽带输入接口；输出实验信号的温度传感输出接口和应变传感输出接口；开关；显示屏；应变调谐旋钮和温度调谐旋钮。
所述的光纤迈克尔逊干涉实验结构，包括有：与光学干涉实验仪面板上的宽带输入接口相连的跳线连接头，与跳线连接头相连的2×2耦合器，与2×2耦合器相连的传输宽带光源的光纤，宽带光源反射后，又经2×2耦合器到与面板上的温度传感输出接口相连的跳线连接头；所述的光纤M-Z干涉实验结构包括有：与光学干涉实验仪面板上的宽带输入接口相连的跳线连接头，与跳线连接头相连的第一个2×2耦合器，与第一个2×2耦合器相连的传输宽带光源的光纤，与光纤的另一端相连的第二个2×2耦合器，通过第二个2×2耦合器宽带光源反射后，又经第二个2×2耦合器、光纤、第一个2×2耦合器到与面板上的应变传感输出接口相连的跳线连接头。
所述的光学实验仪设置有用于作光栅光纤应变传感器实验的光栅光纤应变传感器结构，以及用作光栅光纤温度传感器实验的光栅光纤温度传感器结构；光学实验仪的面板上设置有：输出实验信号的应变传感输出接口和温度传感输出接口；开关；显示屏；应变调谐和温度调谐。
所述的光栅光纤应变传感器结构，包括有：与光学实验仪面板上的宽带输入接口相连的跳线连接头；1×2耦合器；固定弹簧片的基座；贴在弹簧片上接收从1×2耦合器过来的宽带光信号的光纤光栅，宽带光信号反射回到1×2耦合器，又经应变传感器输出的跳线连接头到应变传感输出接口；所述的光栅光纤温度传感器结构包括有：与光学实验仪面板上的宽带输入接口相连的跳线连接头；1×2耦合器；光纤，支撑光纤的基座；以及设置在光纤上并位于基座内的光栅；宽带光源经光栅的光纤后反射到1×2耦合器，又经温度传感器输出跳线连接头到温度传感输出接口。
还包括有用于作弯曲衰减实验的弯曲衰减塔，弯曲衰减塔是由多个圆盘形结构的塔盘堆积而成，其塔盘的直径由下到上逐渐减小。
本发明的纤维光学实验仪采用上述结构，通过实验可以使学生了解和掌握光纤和光纤光栅的基本特性，光纤和光纤光栅传感器的基本结构，光纤和光纤光栅传感器的基本原理，光纤和光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤和光纤光栅传感的局限性。
附图说明
图1是本发明的纤维光学实验仪主机内部结构示意图；图2是本发明的功率实验结构示意图；图3是本发明的激光实验结构示意图；图4是本发明的纤维光学实验仪主机面板结构示意图；图5是本发明的光学干涉实验仪面板结构示意图；图6是本发明的光纤迈克尔逊干涉实验结构示意图；图7是本发明的光纤M-Z干涉实验结构示意图；图8是本发明的光学实验仪面板结构示意图；图9是本发明的光栅光纤应变传感器结构示意图；图10是本发明的光栅光纤温度传感器结构示意图；图11是本发明的弯曲衰减塔结构示意图。
其中：A：纤维光学实验仪主机    B：光学干涉实验仪     C：光学实验仪5a、5b、5c、5e、5f、5g、5h、5i、5m、5l：跳线连接头01：显示屏    02：功率计毫瓦/微瓦选择纽        3：电压/功率选择纽04：电压/电流选择纽      05：波长调谐旋纽      06：功率调谐旋纽1：激光器                2：宽带光源装置       3：光放大器4：1×2耦合器            6：功率放大器         8：可调光纤光栅9：2×2耦合器            10：功率计            11：功率显示器12：光电二极管           21：信号输出接口      22：增益输出接口23：放大输出接口         24：滤波输出接口      25：信号输入接口26：激光输出接口         27：光强输入接口      28：宽带输出接口29：宽带输入接口         30：传感输入接口      31：宽带输入接口32：温度传感输出接口     33：宽带输入接口      34：应变传感输出接口35：开关                 36：显示屏            37：应变调谐旋钮38：温度调谐旋钮         39：应变传感输出接口  40：应变传感输出接口41：温度传感器输出接口   42：开关              43：显示屏45：应变调谐             46：塔盘              50：光纤
52：基座                 53：光栅             54：光纤55：光纤光栅  56：固定弹簧片  57：基座        58：光纤光栅具体实施方式下面结合实施例对本发明的做出详细说明。
本发明的纤维光学实验仪，包括有纤维光学实验仪主机A、光学干涉实验仪B和光学实验仪C，三者通过光纤传输线相互连接。
如图1所示，纤维光学实验仪主机A内设置有：与电源相连接的980nm激光器1，接收激光器1发出的光源的1×2耦合器4，分别接收1×2耦合器4的两路输出光的宽带光源装置2和光放大器3，经宽带光源装置2输出的宽带光源到宽带光源输出的跳线连接头5a构成供实验用的宽带光源，即980nm激光器经过耦合器分成两路，一路通过各种器件后变成宽带光源，宽带光源的光从后向由跳线连接头5a输出，供温度传感器，应变传感器，干涉仪，光弯曲损耗实验，功率计，线性滤波等实验作为光源用。另一路到光放大器和激光器实验。
其中宽带光源装置2采用在专利号为2005201235710中所公开的技术；具有双功能的光纤光栅传感器7输出的窄带信号通过1×2耦合器4和2×2耦合器9及跳线连接头5g输入给光放大器3，宽带光源和窄带信号共同经光放大器3被放大后构成放大输出经跳线连接头5b输出，从而形成放大器实验；还设置有可调光纤光栅8，当可调光纤光栅8的波长与光纤光栅传感器7的波长相等时，其光经2×2耦合器9、光电二极管12及功率放大器6构成增益输出至跳线连接头5e，从而形成增益实验。
如图2所示，所述的纤维光学实验仪主机A内还设置有：用于显示光强的输出功率的结构，包括有接收光信号的跳线连接头5f，接收经跳线连接头5a输入的宽带光信号的功率计10，显示其功率的功率显示器11。
在纤维光学实验仪主机A内，当光纤光栅传感器7的信号沿1×2耦合器4、2×2耦合器9可调光纤光栅8传输时，构成线性滤波实验，其滤波信号经跳线连接头5h输出。
在纤维光学实验仪主机A内，将光纤光栅传感器7换成长周期光纤光栅，并沿着：宽带光源信号经跳线连接头5d通过1×2耦合器4到长周期光纤光栅，又反射到1×2耦合器4，通过2×2耦合器9到可调光纤光栅8，经跳线连接头5h输出，完成长周期光纤光栅图谱实验，并通过可调光纤光栅8的选择描绘出光纤光栅的反射谱和透射谱。
如图3所示，在纤维光学实验仪主机A内，还设置有激光实验结构，包括有与宽带光源信号通过1×2耦合器4、2×2耦合器9到光纤光栅58，再反射到2×2耦合器9，又经1×2耦合器4、2×2耦合器9至激光输出跳线连接头5i。
如图4所示，所述的纤维光学实验仪主机A的面板设置有：与主机内信号输出的跳线连接头5c相连的信号输出接口21；与主机内增益输出跳线连接头5e相连的增益输出接口22；与主机内放大输出跳线连接头5b相连的放大输出接口23；与主机内滤波输出跳线连接头5h相连的滤波输出接口24；与光学实验仪C面板上的温度传感器输出接口41相连的信号输入接口25；与主机内激光输出跳线连接头5i相连的激光输出接口26；与主机内接收光信号的跳线连接头5f相连的光强输入接口27；与主机内的宽带光源输出的跳线连接头5a相连的宽带输出接口28和宽带输入接口29；与光学干涉实验仪B和光学实验仪C的传感输出接口相连的传感输入接口30；显示屏01；功率计毫瓦/微瓦选择纽02；电压/功率选择纽03；电压/电流选择纽04；波长调谐旋纽05；功率调谐旋纽06。
如图5所示，所述的光学干涉实验仪B内设置有用于作光纤干涉实验的光纤M-Z干涉实验结构和光纤迈克尔逊干涉实验结构；光学干涉实验仪B的面板上设置有：接收纤维光学实验仪主机A宽带光源信号的宽带输入接口31和宽带输入接口33；输出实验信号的温度传感输出接口32和应变传感输出接口34；开关35；显示屏36；应变调谐旋钮37和温度调谐旋钮38。
如图7所示，所述的光纤M-Z干涉实验结构包括有：与光学干涉实验仪B面板上的宽带输入接口33相连的跳线连接头5a，与跳线连接头5a相连的第一个2×2耦合器9，与第一个2×2耦合器9相连的传输宽带光源的光纤50，与光纤50的另一端相连的第二个2×2耦合器9，通过第二个2×2耦合器9宽带光源反射后，又经第二个2×2耦合器9、光纤50、第一个2×2耦合器9到与面板上的应变传感输出接口34相连的跳线连接头5h。
光纤干涉臂有Δl长度差，由光干涉理论可推算出非平衡M-Z干涉仪干涉光强满足如下关系：
I＝I0(1+COS(2πnΔl/λ))，光强极大值之间的波长差Δλ满足公式：λ2Δλ=nΔl]]>M-Z干涉仪受外界影响时，光程差nΔl会发生变化，光强分布曲线(余弦)极大值位置产生位移δλ。
如干涉仪分别受均匀温度场和应力场影响时，峰值波长的位移量δλ为：δλλ=δlΔl+δnn=(α+ξ)ΔT,δλλ=±lΔl(1-pe)ϵ]]>其中l是一个臂受力的长度。
如图6所示，所述的光纤迈克尔逊干涉实验结构，包括有：与光学干涉实验仪B面板上的宽带输入接口31相连的跳线连接头5a，与跳线连接头5a相连的2×2耦合器9，与2×2耦合器9相连的传输宽带光源的光纤50，宽带光源反射后，又经2×2耦合器9到与面板上的温度传感输出接口32相连的跳线连接头5l。
光纤迈克尔逊干涉仪与光纤M-Z干涉仪同属于双光束干涉，光强与波长的关系满足公式：I＝I0(1+COS(4πnΔl/λ))光强极大值之间的波长差Δλ满足公式：λ2Δλ=2nΔl]]>干涉谱波形与M-Z干涉仪相同。
如图8所示，所述的光学实验仪C设置有用于作光栅光纤应变传感器实验的光栅光纤应变传感器结构，以及用作光栅光纤温度传感器实验的光栅光纤温度传感器结构；光学实验仪C的面板上设置有：输出实验信号的应变传感输出接口39、40和温度传感输出接口41；开关42；显示屏43；应变调谐45和显示屏43。
如图9所示，所述的光栅光纤应变传感器是一种悬臂梁应变调谐结构，包括有：与光学实验仪C面板上的宽带输入接口39相连的跳线连接头5a；1×2耦合器4；固定弹簧片56的基座57；贴在弹簧片56上接收从1×2耦合器4过来的宽带光信号的光纤光栅55，宽带光信号反射回到1×2耦合器4，又经应变传感器输出的跳线连接头5m到应变传感输出接口40。应用材料力学原理可以严格计算出光纤光栅的应变，用于模拟环境物理量使光纤光栅产生的应变，由光纤光栅的应变又可计算出传感光栅的波长变化。
如图10所示，所述的光栅光纤温度传感器结构包括有：与光学实验仪C面板上的宽带输入接口39相连的跳线连接头5a；1×2耦合器4；光纤54，支撑光纤54的基座52；以及设置在光纤54上并位于基座52内的光栅53；宽带光源经光栅53的光纤54后反射到1×2耦合器4，又经温度传感器输出跳线连接头5m到温度传感输出接口41。
为了提高光纤光栅温度灵敏度，将光纤光栅封装在温度增敏材料基座上。波长变化量及温度灵敏度分别为：Δλ/ΔT＝((α+ξ)+(1-Pe)(αj-α))λΔλ/ΔT＝αtαj：基座热膨胀系数αt定义为该温度传感器的温度灵敏度，可由实验获得，其单位是nm/℃。由测量到的波长的变化量可计算出温度的变化：温度由方程式t=t0+ΔλtαT]]>得到。
如图11所示，本实验装置还包括有用于作弯曲衰减实验的弯曲衰减塔，弯曲衰减塔是由多个圆盘形结构的堆积而成，其塔盘的直径由下到上逐渐减小。实验时将光纤分别缠绕在直径不同的塔盘46上，从光纤的输入端的光强和输出端的光强，可以得出缠绕在不同直径的塔盘上的光纤的宽带光源的衰减情况。
本发明的弯曲衰减塔的塔盘46直径分别有：37.0、32.0、27.0、22.0、17.0、12.0、7.0 7个等级值，φ3跳线可分别绕行期间一周，得到的光纤弯曲半径分别是20.0、17.5、15.0、12.5、10.0、7.5、6.0。
在本实施例中所使用的光放大器和功率计，可以行用市场上销售的产品，也可以选用天津爱天光电子科技有限公司生产和销售的产品。光纤光栅传感器选用申请号为200610016075.4的光纤光栅传感器。