光纤传输演示教具的设计与制作

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摘要：光纤被广泛应用在日常生活的通信、医疗等多个领域，已经成为人类日常生活不可或缺的一种技术，但光纤传输的过程以及原理都是人们看不见也摸不着的，很难用语言解释。设计和制作光纤传输演示教具，将不可见的转化为人们能够感受到的信号，可以很好地向人们解释光纤传输的原理及过程。文章采用文献研究和实验研究法，设计和制作了光纤传输演示教具，通过演示直观地向学生展现光纤传输的过程，有助于学生对光纤通信的直观认识和理解。

关键词：光纤传输；演示教具；设计；制作

中图分类号：G482　文献标识码：B　文章编号：1673－8454(2012)06－0065－03

一、光纤简介

1.光纤、光纤的优点及用途

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode，LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

光纤的优点有：频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠、成本不断下降。

光纤的用途：多股光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大。一条通路可同时容纳数十人通话：可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。光导纤维内窥镜可导人心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。光纤在生活中应用非常广泛，已经成为人们日常生活不可或缺的一种技术。

2.光纤传输系统的分类

按传输类型分类，光纤传输可以分为模拟光纤传输系统和数字光纤传输系统。按光波长和光类别可以分为短波长多膜光纤通信系统和长波长光纤通信系统，其中长波长光纤通信系统又可以分为1.31um的多膜光纤通信系统、1.31um的单膜光纤通信系统和1.55um单膜光纤通信系统。

3.光纤传输的原理

光纤传输的原理是在发送端首先要把传送的信息(如声音或图像1变成电信号，然后由光发射机把电信号调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去：在接收端，光接收机检测到光信号把它变换成电信号，然后再通过放大器放大后，进行解调再恢复成原始信号。模拟光纤传输系统原理见图1。

二、光纤传输演示教具的设计

通过网络调查，我们发现关于光纤通信原理的试验箱有很多，但都是大中专院校通信及相关专业进行实验的设备，对于中小学生及大众来说都过于专业，作为光纤传输原理通识教育的教具都不合适，而且价格过于昂贵。基于此，笔者利用身边的废旧物品，再加上一点电路知识和技术，设计制作了一个能够直观演示光纤传输过程的教具。

1.光纤传输演示教具设计思路

该演示教具为了方便演示，选择常见的MP3播放器和手机作为音源，通过3.5毫米耳机接口与发射端相连接。接收端连接一个小喇叭。主体部分由发射端、接收端、光导纤维三个部分组成(见图2)，发射端是对声音信号进行声光转换，接收端是对光信号进行检测和接收并且进行信号放大后再送到扬声器。发射端和接收端之间由光导纤维(一截干净的输液管)连接。为了获得较好的信号传输效果，在输液管里装满水(注：因为输液管中装满水不能有气泡，因此此步骤应在水中操作)，并将发光二极管和光敏二极管套装在输液管的两头。当音源接通发光二极管发光后，就通过输液管将光信号传送到另一头，光敏二极管接收到光信号后将信号传送到接收电路进行处理，然后送到音箱，还原出声音信号，完成整个传输过程。

2.发射端的电路图

由于3.5毫米耳机接口发送的电信号较弱，故在发射端使用了一个放大电路，电路原理如图3所示，当音乐开始后将音频信号发送到LM386，信号放大后驱动发光二极管LED，发光二极管发小的光信号随着音频的强弱发生闪烁。发射端的放大电路与接收端的放大部分电路一致，这样可以减少设计的时间。因此：1端悬空，2端接耳机的一端，3端接耳机另一端并接地。

3.接收端的电路图

接收端电路原理如图4所示，发光二极管发出的光信号经光导纤维传送到接收部分的光敏二极管D.D将光信号转换为电信号经C1送到前置放大极，经0(9014)放大，滑动变阻器RK控制送到LM386，经功率放大后，推动喇叭发出声音。

4.元件的选择

LED采用高亮度的红色发光二极管，光敏二极管D选择亮阻尽量小、暗阻尽量大的，因为发射端设计了放大电路，因此声音源可以是MP3、手机等。其他元件包括：

10u电解电容9个：

22000电容2个：

电阻200K 1个，330K 1个，2.2K 1个：

滑动变阻器10K 2个：

三极管90141个。LM386集成块2个：

电池3节，开关、喇叭各1个。

三、光纤传输演示教具的制作和演示

1.制作

依据前面的设计思路，按以下步骤进行制作(见图5)：

(1)考虑到简易、方便操作，实验结果能够直观反应光纤传输的原理，进行教具的整体设计。

(2)在仿真软件(EWB或PRO，TEL)中画出各部分的电路图。并对其封装进行修改。

(3)将电路图转化为PCB图，根据电路图将PCB图中的元件进行摆放，这也是在制作电路板前最重要的一步。一般情况下。电路板的大小因与元件成正比，但考虑到我们做的是教具，因此可以将电路板适当地放大，方便操作和观察。

(4)将布好的PCB图打印到转印纸上，再用热转印机将图转印到覆铜板上，再将覆铜板放在三氯化铁溶液中进行腐蚀。

(5)将腐蚀好的电路板打孔，取一段20cm-30cm的医用输液管，注满水，两端分别用直径为5ram的发光二极管和光敏二极管直接封住，为了不使管内留有气泡，整个过程可在水中完成。最后将元器件安插焊接好。

2.演示

将声音源打开，发光二极管就开始闪烁，同时接收部分的喇叭发出悦耳的音乐(如果有杂音，可以调节滑动变阻器减少杂音)。因为信息是靠光传输的，所以这时只要将输液管捏扁，声音就会消失或因受到阻塞而减弱，但在弯折输液管时，只要曲率不太大，便能保证光传导的全反射，却感觉不到声音的任何变化。通过实验也可以告诉人们保护光纤的常识。

结束语

本文通过实验法设计并制作了光纤传输演示教具，此教具的制作和操作过程相对简单，实验过程能够让人们直观地了解到光纤传输的过程及原理，希望本文能够为师生制作光纤传输演示教具提供一定的参考。