光纤位移传感器实验.docx

中国石油大学 传感器 实验报告 成 绩：
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反射式光纤位移传感器

【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
【实验装置】
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。
【数据记录及处理】
表1：
ΔX(mm)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
V
0.002
0.011
0.020
0.030
0.041
ΔX(mm)
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
V
0.052
0.063
0.074
0.086
0.097
ΔX(mm)
1.1
.2
1.3
1.4
1.5
V
0.109
0.120
0.131
0.141
0.152
ΔX(mm)
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
V
0.161
0.171
1.180
0.189
0.197
ΔX(mm)
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
V
0.204
0.211
0.218
0.223
0.228
ΔX(mm)
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
V
0.233
0.237
0.239
0.242
0.245
ΔX(mm)
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
V
0.246
0.247
0.248
0.249
0.248
ΔX(mm)
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
V
0.247
0.246
0.244
0.242
0240
ΔX(mm)
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
V
0.237
0.234
0.231
0.227
0.224
ΔX(mm)
4.6
4.7
4.8
4.9
5.0
V
0.219
0.215
0.211
0.206
0.202
ΔX(mm)
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
V
0.198
0.193
0.189
0.184
0.179
ΔX(mm)
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
V
0.175
0.171
0.166
0.162
0.158
ΔXmm)
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
V
0.154
0.150
0.146
0.143
0.139
ΔX(mm)
6.6
6.7
6.8
6.9
7.0
V
0.135
0.131
0.128
0.125
0.122
ΔX(mm)
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
V
0.118
0.115
0.112
0.108
0.105
ΔX(mm)
7.6
7.7
7.8
7.9
8.0
V
0.102
0.100
0.097
0.095
0.093
ΔX(mm)
81
8.2
8.3
8.4
8.5
V
0.090
0.087
0.085
0.083
0.081
ΔX(mm)
8.6
8.7
8.8
8.9
9.0
V
0.079
0.077
0.075
0.073
0.072
ΔX(mm)
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
V
0.071
0.069
0.068
0.066
0.065
ΔX(mm)
9.6
9.7
9.8
9.9
10.0
V
0.063
0.063
0.062
0.061
0.059

光纤位移传感器的位移特性图，如下：

光纤位移传感器在小位移范围内测量线性化，即在本次试验中，位移0-2.2mm时较好的满足线性化，做出拟合直线，如下：

灵敏度计算：S=∆v∆x=0.1029
线性范围：位移满足在0-2.2mm之间
【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？
被测体表面能够较好的反射从光纤里发射出来的光，要保持被测体表面的清洁度，同时需要保持和光纤探头端面的平行度，这样可以增加光的反射效率，必要时可在被测体表面安装反射片。同时被测体的运动方向也比较单一，不要出现摆动。
2． 利用本实验所用光纤传感器能否设计出转速测量仪？
能，在被测转速物体侧面某一位置安装反射片，将反射片对准光纤发射端口，此时有电压输出，使物体开始转动，每完成一个转动周期（即一圈）便会有一次电压输出指示，令物体转动固定的转动周期，记录经历的时间，圈数除以时间得到转速，多次测量计算平均值，便可测得转速。
【实验总结】
温度对该实验的影响较大，当反射片离开光纤端口面5mm时，电压降低幅度仍然较小，当反射片离开光纤端口面10mm时，电压仍未降到理想值，如果改变周围温度，使温度升高为35度，在反射片离开光纤端口面6mm处时，电压降到较低值，几乎为零。在小位移范围内，反射式光纤位移传感器测量满足线性化，能够进行精准的测量。
【原始数据表格】

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