光电检测实验报告

实验三十光纤位移传感器（半圆分部）的特性实验
一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、基本原理：本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成半圆分布的Y型传感探头，一束光纤端部与光源相接用来传递发射光，另一束端部与光电转换器相接用来传递接收光，两光纤束混合后的端部是工作端亦即探头，当它与被测体相距Ｘ时由光源发出的光通过一束光纤射出后，经被测体反射由另一束光纤接收，通过光电转换器转换成电压，该电压的大小与间距Ｘ有关，因此可用于测量位移。

三、需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流电源±15V、铁测片。

四、实验步骤：
1、根据图9-1安装光纤位移传感器，二束光纤分别插入实验板上光电变换座内，其内部装有发光管Ｄ及光电转换管T。

2、将光纤实验模板输出端V0与数显单元相连，见图9-2。

3、在测微头顶端装上铁质圆片，作为反射面，调节测微头使探头与反射面轻微接触,数显表置20V档。

4、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调节RW2使数显表显示为零。

5、旋转测微头,使被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表显示值,将其填入9-1。

注：电压变化范围从0→最大→最小必须记录完整。

表9-1：光纤位移传感器输出电压与位移数据如下表所示：
通过上述的表格可以找出在X=6.5或者6.6mm时输出电压才达到最大值为6.78或者6.79V，但当继续寻找最小值的时候并没有找到，输出电压随着位移的增大逐渐的减小，但是减小的幅度会渐渐的趋于平衡，在达到测微头最大量程时还在继续的减小，因此并没有找到最小的记录。

并认为X=4mm时为最小的0。

6、根据表9-1数据，作出光纤位移传感器的位移特性图，并加以分析、计算出前坡和后坡的灵敏度及两坡段的非线性误差。

答：利用excel对数据进行分析得光纤位移传感器的位移特性图如下所示：
通过光纤位移传感器的位移特性图可知：其图形被分为前坡和后坡两部分，在前坡输出电压随着位移的增大而增大并且达到最大值，并且前坡的增大的幅度比较大，在后坡输出电压随着位移的增大不再增大而是相应的减小，减小的幅度较小，并逐渐的趋于稳定。

通过图形可以看出前坡的范围窄，灵敏度高，线性好，适用于测小位移和表面粗糙度。

后坡的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反比。

将在最大值之前的值作为前坡的数据单独拿出来做处理同时去掉最前和最后的值，同样用excel的画图进行斜线的拟合得到如下的拟合直线，并显示拟合的直线表达式：前坡部分的位移特性图如下所示：
通过拟合出来的直线为y=3.1022x-12.934。

计算前坡的灵敏度S：S=ΔV/ΔX(ΔV为输出电压平均变化量；ΔX位移平均变化量)，其灵敏度约为拟合直线的斜率：即S=3.1022(v/mm)。

计算前坡的非线性误差：δf1=ΔVmax/ΔyF·S×100%，式中ΔVmax为输出电压值与拟合直线的最大电压偏差量：ΔyF·S为满量程时电压输出平均值。

通过上表可以知道ΔVmax=0.32146v，ΔyF·S=6.79v，则δ前=ΔVmax/ΔyF·S×100%=0.32146/6.79×100%=4.7%。

将在最大值之后的数据作为后坡的数据单独拿出来做处理，拟合得到如下的曲线，并显示拟合的曲线表达式，后坡部分的位移特性图如下所示：
通过拟合出来的曲线为y= 444.488/(x^2)—2.63316。

计算后坡的灵敏度S：S=ΔV/Δ
X(ΔV为输出电压平均变化量；ΔX位移平均变化量)，计算前坡的非线性误差：δf1=ΔVmax/ΔyF·S×100%，式中ΔVmax为输出电压值与拟合直线的最大电压偏差量：ΔyF·S 为满量程时电压输出平均值（上图的横坐标表示X，纵坐标表示V）。

通过拟合出来的曲线得下表：
通过上表可以知道ΔV=0.167295v，ΔX=0.1mm，其灵敏度S=ΔV/ΔX=0.167295/0.1=1.67295（v/mm），ΔVmax=-0.78088v，ΔyF·S=6.79v，则δ后=ΔVmax/ΔyF·S×100%= -0.78088/6.79×100%=-11.5%。

五、思考题：
光纤位移传感器测量位移时，对被测体的表面有些什么要求？
答：被测物体表面尽量保持光滑，能够使光准确的反射来减小漫反射。

一、实验目的：了解光纤位移传感器动态特性。

二、基本原理：利用光纤位移传感器的位移特性，配以合适的测量电路即可测量振动。

三、需用器件与单元：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模板、振动梁（2000型）或振动测量控制仪（9000型）、检波/滤波/低通实验模板、数显频率/转速表。

四、实验步骤：
1、将光纤传感器按图3-5安装在振动台上，并用手按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死的现象，否则必须调整安装位置，光纤探头对准振动台的反射面。

2、根据实验三十的结果，找出前坡或后坡的线性段中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。

3、在图9-2中V01与低通滤波器模板VI相接，低通输出V0接到示波器。

4、在振动源上接入低频振动信号（2000型），将频率选择在6-10HZ左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器，观察示波器的信号波形。

保持振动幅度不变，改变振动频率观察示波器的信号波形。

答：示波器的信号波形是正弦波，当逐步增大输出幅度时，示波器的信号波形的幅度也是逐渐的增大，与输出幅度成正比。

当保持振动的幅度不变时，改变振动频率发现示波器的信号波形频率逐渐的变小。

5、根据实验三十的数据，计算出梁的振动幅度有多大？
答：由前波的位移特性图可以知道，梁的振动幅度满足正弦波，其电压幅度ΔV=6.68-0.03v=6.65v，由前波的拟合直线y=3.1022x-12.934可得，梁的振动幅度：ΔX=(ΔV+12.934)/3.1022=6.313mm.。

五、思考题：试分析电容式、电涡流、光纤三种传器测量振动时的特点？
答：电容式测量振动时实际上是变极距差动电容式位移传感器，通过改变电容值来表征振幅的变化，其可以测量微位移。

电涡流测量振动频率高于固有频率的振动，他是通过在振动过程中产生的感应电流即涡流，在涡流里产生的交变磁场中产生的感应电压，其灵敏度低。

光纤传感器测量振动时，光纤本身只起到传光的作用。

一、实验目的：了解光纤位移传感器用于测量转速的方法。

二、基本原理：利用光纤位移传感器在被测物的反射光强弱明显变化时所产生的相应信号，经电路处理转换成相应的脉冲信号即可测量转速。

三、需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模板、直流源±15V、转动源（2000型）或转动测量控制仪（9000型）。

四、实验步骤：
1、将光纤传感器按实验三十一图3-5装于传感器支架上，使光纤探头与电机转盘平台上的反射点对准。

2、按图9-2接线，将光纤传感器实验模板输出V01与数显电压表VI端相接，接上实验模板上±15V电源，数显电压表置2V档，并按以下步骤操作:①用手转动圆盘，使探头避开反射面，合上主控箱电源开关，调节RW使数显表显示接近零（≥０）。

②再用手转动圆盘，使光纤探头对准反射点，调节升降支架高低，使数显表指示最大，重复①、②步骤，直至两者的电压差值最大（差值需大于1V）。

再将V01与转速／频率表的fin端相接，频率/转速表开关拨到转速档。

3、接入+2V—+24V直流电压至旋转电机，调节转速旋钮，使电机转动，逐渐加大转速电压，使电机转速加快，固定某一转速记下数显表上读数。

答：固定在2135转/分时的数显表读数为14.58V。

注：最高转速请不要超过2400转/分，否则光纤探头的动态响应范围可能会不够。

五、思考题：
1、测量转速时转速盘上反射点的多少与测速精度有否影响？
答：测量转速时转速盘上反射点的多少与测速精度有影响，反射点越少，测数精度越低。

2、你可以用实验来验证一下转盘上仅一个反射点的情况吗？
答：计算在1分钟时间内的脉冲数是否与转速相等，如果相等，则转盘上仅有一个反射点。

实验四十二PSD位置传感器位置测量实验
PSD位置传感器是光电检测器件，利用PSD的光电流可测量入射到其感光区
域的光斑能量中心位置(一维)，时间响应快，可应用于多种测量场合。

本PSD位置
传感器采用了模似电路的位置处理，利用传感器两极输出的电流，经运算放大器
电流电压变换，加减运算，(有条件还可利用模似除法器)，其输出电压取决于光斑
能量中心位置。

一、PSD位置传感器系统组成：见图12
1、PSD传感器。

2、电子处理模块：①I/V转换②加减电路③除法器* ④放大器(增益，调零)
3、半导体激光器。

4、机械调节支架(调节PSD传感器与激光光斑位置)。

5、振动梁
注：“*”电路为调试中可增减部分。

二、PSD传感器位置测试实验：
(1)将测微头与梁边上的磁铁吸合，调节测微头来调整激光光源的上下位置。

使光斑大约在PSD传感器的中心点上。

(2)旋转测微头使光斑能在PSD传感器有效面上移动。

(3)接入±15V电源，将PSD信号输出端V0与数字电压表Vi相联，电压表置2V档。

(4)调节测微头，使电压表指示为零。

往上旋转测微头，每隔0.1mm或0.2mm读一
次电压表数值，并记入下表。

所得实验数据如下：
(5)将测微头回到零位，往下旋转测微头，同样每隔0.1或0.2mm读一次电压表
数值并填入上表。

(6)作出X—V曲线，计算系统灵敏度及分析误差的来源。

答：通过上表作出X—V曲线如下：
通过拟合出来的直线为y=1.5202x-5.542。

计算系统的灵敏度S：S=ΔV/ΔX(ΔV为输出电压平均变化量；ΔX位移平均变化量)，其灵敏度约为拟合直线的斜率：即S=1.5202。

计算其非线性误差：δf1=ΔVmax/ΔyF·S×100%，式中ΔVmax为输出电压值与拟合直线的最大电压偏差量：ΔyF·S为满量程时电压输出平均值。

通过上表可以知道ΔVmax= —0.233v，ΔyF·S=4v，则δf1=ΔVmax/ΔyF·S×100%= —0.233/4×100%= —5.8%。

因PSD为高灵敏器件，系统的机械误差及测微头的误差都将对测试精度产生较大影响。

其误差来源于周围环境变化，温度变化的影响，气压变化，气体流动等，还有测量仪器，人员读数的影响。

三、思考题：
①测量物体的位置与位移，其概念有什么不同？
答：测量物体的位移时都是向着一个方向进行的测量，而对于位置的测量时则是双方向的。

②本实验可以测微振动吗？
答：因为其灵敏度很高，故微小振动对于此系统仍然有较高的反应，因此可以测量微小的振动。

实验四十三PSD位置传感器微振动测量实验
由于PSD位置传感器的灵敏度非常高，所以可用来测量微振动。

根据实验四十二的原理及接线,移开测微头与悬臂梁的吸合,使梁处于自由状态。

将PSD面板上的电压输出端接入示波器。

选择示波器适合的Y轴灵敏度及X轴扫描时基，用手轻压下悬臂梁，然后松手，使梁处于自由振动状态，从示波器上可以观察到一个衰减的自由振荡波形。

如有条件也可以将整个实验仪放在一个微振动物体的表面，来测量微机械振动。

思考题：根据实验原理，微振动的测量灵敏度取决于哪些因素？
答：光斑能量中心位置，响应时间，电路处理能力等。