1、1中国石油大学 传感器 实验报告 成 绩： 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】光导纤维与光纤传感器的一般原理 图 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.。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（
2、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。 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。其原理如图所示：光纤采用型结构，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2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
3、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 反射式位移传感器原理 图 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
4、维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。32. 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 45. 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
5、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)。V8. 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：X(mm) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 V 0.002 0.011 0.020 0.030 0.0414X(mm) 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0V 0.052 0.063 0.074 0.0
6、86 0.097X(mm) 1.1 .2 1.3 1.4 1.5 V 0.109 0.120 0.131 0.141 0.152X(mm) 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0V 0.161 0.171 1.180 0.189 0.197X(mm) 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 V 0.204 0.211 0.218 0.223 0.228X(mm) 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0V 0.233 0.237 0.239 0.242 0.245X(mm) 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 V 0.246 0.247 0.248 0.249 0.248X(mm) 3.6
7、3.7 3.8 3.9 4.0V 0.247 0.246 0.244 0.242 0.240X(mm) 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 V 0.237 0.234 0.231 0.227 0.224X(mm) 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0V 0.219 0.215 0.211 0.206 0.202X(mm) 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 V 0.198 0.193 0.189 0.184 0.179X(mm) 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0V 0.175 0.171 0.166 0.162 0.158X(mm) 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 V
8、0.154 0.150 0.146 0.143 0.139X(mm) 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0V 0.135 0.131 0.128 0.125 0.122X(mm) 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 V 0.118 0.115 0.112 0.108 0.105X(mm) 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0V 0.102 0.100 0.097 0.095 0.093X(mm) 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 V 0.090 0.087 0.085 0.083 0.081X(mm) 8.6 8.7 8.8 8.9 9.0V 0.079 0.077 0.075
9、0.073 0.072X(mm) 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 V 0.071 0.069 0.068 0.066 0.065X(mm) 9.6 9.7 9.8 9.9 10.0V 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：50 2 4 6 8 10 1200.050.10.150.20.250.3V光 纤 位 移 传 感 器 位 移 特 性 图x/mmV/mV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 0.5 1 1.5 2 2.5-0.0500.050.
10、10.150.20.25VLinear (V)x/mmV/mV灵敏度计算： =0.1029线性范围：位移满足在 0-2.2mm 之间6【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】
