光纤位移传感器实验(钟鹏).doc

反射式光纤位移传感器测距原理实验
实验目的：
1. 了解光纤传输的基本原理
2. 了解反射式光纤传感器的一般原理结构、性能
3. 利用反射式光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系。
实验原理：
　　１．光导纤维与光纤传感器的一般原理

图１　光纤的基本结构
　　光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。如图１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。
　　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．反射式位移传感器的结构原理
　　反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图２所示：光纤采用Ｙ型结构，两束多模光纤，一端合并组成光纤探头，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，最后由光电转换器接收，转换器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。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。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。图３所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

图２　反射式位移传感器原理

图３　反射式光纤位移传感器的输出特性
实验仪器：SET-QX型光纤位移传感器实验箱。
实验内容：
1. 观察光纤结构：光纤探头为半圆型结构，由数百根纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2. 装上光纤探头，探头对准反射片。
3. 安装好测微头，将顶部的反射片擦拭干净，测微头旋至10mm左右，前后移动测微头使反射片距光纤位移传感器约3mm，固定好测微头。
4. 如图4，将发光二极管和光敏三极管连接到放大电路相应的位置上，补偿调零电位器也接入到电路中，将第二级可变增益反相放大器的输出端VO与数字电压表相连，数字电压表置20V档，打开传感器电源开关。

图4
5. 旋转测微头使反射片贴紧光纤传感器端面，调节“增益”电位器适中，调节补偿调零电位器使数字电压表指示为零（粗调）。
6. 减小数字电压表量程（2V/200mV），调节补偿调零电位器，进一步使数字电压表指示为零（细调），结果是X=0，V=0。
7. 旋转千分尺，使光纤探头端面紧贴反射面，此时输出电压最小(一般为零)。
8. 电压表打到20v档，旋转千分尺，使反射面离开探头，每隔0.1mm读取一电压值，填入表1。
9. 据表1数据，做出光纤位移传感器的位移特性图（X-V坐标图），计算灵敏度S=△V/△X及线性范围。
表1：
ΔX(mm)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
V
0．02
0.05
0.08
0.11
0.14
ΔX(mm)
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
V
0.18
0.21
0.025
0．28
0.30
ΔX(mm)
1.1
.2
1.3
1.4
1.5
V
0.32
0.34
0.35
0.36
0.37
X(mm)
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
V
0.37
0.37
0.39
0.38
0.37
ΔX(mm)
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
V
0.35
0.34
0.32
0.31
0.29
ΔX(mm)
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
V
0.27
0.25
0.24
0.22
0.20
ΔX(mm)
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
V
0.19
0.17
0.16
0.14
0.13
ΔX(mm)
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
V
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
ΔX(mm)
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
V
0.08
0.07
0.06
0.06
0.05
ΔX(mm)
4.6
4.7
4.8
4.9
5.0
V
0.05
0.04
0.04
0.04
0.03
ΔX(mm)
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
V
0.03
0.03
0.03
0.02
0.02
ΔX(mm)
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
V
0.02
0.02
0.02
0.01
0.01
ΔX(mm)
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
V
0.01
0.01
0.01
0.01

图1-1 X-V坐标图

思考题：
1． 光纤位移传感器测量位移时，对被测体表面有什么要求？
答：表面要干净没有污点，而且光洁度要好。拒绝黑色表面。

2..利用本实验所用光纤传感器能否设计出转速测量仪？
答：可以利用本实验所用光纤传感器可以设计出转速测量仪。因为输出电压与光纤探头到反射面的距离有关，利用这一点可以测量转速。转动物体上固定一齿轮，齿轮边沿反射光，由于齿轮凹凸变化，探头到反射面的距离随齿轮转动而周期性变化，那么输出电压周期性变化。输出电压频率等于齿轮转动频率与齿轮齿数乘积。这样就可测量转速了。
注意事项：
1． 实验时请保持反射面的清洁和与光纤探头端面的垂直度。
2． 工作时光纤端面不宜长时间直接照射强光，以免内部电路受损。
3． 注意背景光对实验的影响，实验过程中应尽量避免一切光源干扰（人员走动、灯光闪烁等）避免强光直接照射反光表面，造成测量误差。
4． 切勿将光纤折成锐角，保护光纤不受损伤。
5． 光纤探头在支架上固定时，应保持其端口与反光面平行，切不可相擦，以免使光纤探头端面受损。
6． 测量完毕关闭传感器电源