光纤位移传感器实验

班级： 姓名： 同组者： 教师： 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V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) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) 0.1 0.002 0.6 0.052 1.1 0.109 1.6 0.2 0.011 0.7 0.063 .2 0.120 1.7 0.3 0.020 0.8 0.074 1.3 0.131 1.8 0.4 0.030 0.9 0.086 1.4 0.141 1.9 0.5 0.041 1.0 0.097 1.5 0.152 2.0 V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V ΔX(mm) V 0.161 2.1 0.204 2.6 0.233 3.1 0.246 3.6 0.247 4.1 0.237 4.6 0.219 5.1 0.198 5.6 0.175 6.1 0.154 6.6 0.135 7.1 0.118 7.6 0.102 8.1 0.090 8.6 0.079 9.1 0.071 9.6 0.063 0.171 2.2 0.211 2.7 0.237 3.2 0.247 3.7 0.246 4.2 0.234 4.7 0.215 5.2 0.193 5.7 0.171 6.2 0.150 6.7 0.131 7.2 0.115 7.7 0.100 8.2 0.087 8.7 0.077 9.2 0.069 9.7 0.063 1.180 2.3 0.218 2.8 0.239 3.3 0.248 3.8 0.244 4.3 0.231 4.8 0.211 5.3 0.1 5.8 0.166 6.3 0.146 6.8 0.128 7.3 0.112 7.8 0.097 8.3 0.085 8.8 0.075 9.3 0.068 9.8 0.062 0.1 2.4 0.223 2.9 0.242 3.4 0.249 3.9 0.242 4.4 0.227 4.9 0.206 5.4 0.184 5.9 0.162 6.4 0.143 6.9 0.125 7.4 0.108 7.9 0.095 8.4 0.083 8.9 0.073 9.4 0.066 9.9 0.061 0.197 2.5 0.228 3.0 0.245 3.5 0.248 4.0 0.240 4.5 0.224 5.0 0.202 5.5 0.179 6.0 0.158 6.5 0.139 7.0 0.122 7.5 0.105 8.0 0.093 8.5 0.081 9.0 0.072 9.5 0.065 10.0 0.059 光纤位移传感器的位移特性图，如下：

0.3光纤位移传感器位移特性图0.250.2V/mV0.15V0.10.0500246△x/mm81012 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：

0.25y = 0.1029x -0.007R² = 0.99710.20.15V/mV0.1V线性(V)0.0500-0.050.51△x/mm1.522.5 灵敏度计算：S=∆x=0.1029 线性范围：位移满足在0-2.2mm之间

∆v

【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】