光纤位移传感器实验

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V O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】

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：

=0.1029

灵敏度计算：S=∆v

∆x

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】