光纤位移传感器静态实验.

光纤位移传感器静态实验

光纤传感器是以光学技术为基础，将被敏感的状态以光信号形式取出。光信号不仅人能直接感知，而且，利用半导体二极管诸如光电二极管、雪崩光电二极管、发光二极管之类的小型而简单的元件很容易进行光电、电光转换，所以易与高度发展的电子装置匹配，这是光纤传感器的突出优点。此外，由于光纤不仅是敏感元件而且也是一种优良的低损耗传输线，因此不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置，从而特别适用于电子传感器等不太适用的地方。

与其它机械量相比，位移是既容易检测又容易获得高精度的检测量，所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移来检测的方法。例如将压力转换成膜的位移，将加速度转换成重物位移等；而且这种方法结构简单，所以位移传感器是机械量传感器中的基本传感器。光纤位移传感器有强度型和干涉型两大类，本实验所用传感器为反射式强度型光纤传感器。反射式强度型光纤传感器具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量（如位移、压力、振动、表面粗糙度等）的测量中获得成功应用。这种位移传感器在小的测量范围内能进行高速位移测量，它具有非接触、探头小、频响高、线性度好等特点。

（一）预习提要

1.光纤的结构组成原理及应用。

2.光信号在光纤中的传播原理。

3.螺旋测微器的使用

（二）实验目的

1．了解光纤位移传感器的原理、结构、性能。

2．用作图法处理数据。

（三）实验仪器

DH-CG2000传感器系统实验仪（本实验所用部件包括：主、副电源、差动放大器、光纤传感器、反射台、电压表）。

（四）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，它是由高反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的工作原理如图2所示，光纤采用Y型结构，两束多膜光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用，当光发射器发出的红外光，经光源光纤照射至反射面，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电转换器将接收到的光转换为电信号。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。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到的位移量如图3所示。

图2 光纤位移传感器工作原理图

图３反射式光纤位移传感器的输出特性

图4

（五）实验内容

1．观察光纤位移传感器结构，它由两束光纤混合后组成Y形光纤，探头固定在Z型安装架上，外表为螺丝的端面为半圆分布的光纤探头。

2．了解反射台在实验仪上的位置。

3．如图4接线：因光/电转换器内部已安装好，所以可将电信号直接经差动放大器放大。电压表的切换开关置2V档，开启主、副电源。

4．旋转测微头，使光纤探头与反射台面接触，调节差动放大器增益适中，调节差动放大器零位旋钮使电压表读数尽量为零，旋转测微头使反射台慢慢离开探头，观察电压读数由小-大-小的变化。

5．旋转测微头使电压表指示重新回零；旋转测微头，每隔0.1mm读出电压表的读数，并将其填入表1中。

6．关闭主、副电源，把所有旋钮复原到初始位置。

7．作出V-△X曲线，计算灵敏度S=△V/△X及线性范围。

（六）数据表格

表1

（七）注意事项

1．在实验过程中不要碰触光纤。

2．保持反射台（振动台）表面光滑。

3．接好电路，待教师检查合格后方可接通主、副电源。