实验五反射式光纤位移传感器实验
光纤传感器实验
实验5—5 光纤传感器实验人类进人21世纪，信息传递的方式也在悄然改变。
从两根电线传输一路电话到一根光纤传输几十、几百路电话，从海底电缆到欧亚光缆，光纤传递光信息的优点是显而易见的。
光在光纤中不断地被全反射传输，免受大气的干扰、散射，衰减大大减少，从而实现上百公里的远距离传输而不需要中间放大器。
光纤在信息传输中的应用已为人们所熟知，但将光纤用作传感器却了解不多，该实验将介绍反射式光纤位移传感器，增强对光纤传感器的了解。
光纤传感器是一种新型传感器，随着其技术的日益发展，应用越来越广泛。
光纤传感器的机理是外界物理量的变化导致光纤参数的相应改变，例如应力或温度变化时，会引起光纤长度和折射率的变化，从而形成光纤应变或温度传感器。
光纤传感器具有许多优点：重量轻、灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；耐高温、耐化学腐蚀、耐水性好，还能高速率和大容量传输测得的信息，便于测试自动化和远距离传输；光纤传感器可以用于高压、电气、噪音、高温、腐蚀或其他的恶劣环境，并可实现非破坏和非接触测量，而且具有与光纤遥感技术的内在相容性。
目前，正在研制中的光纤传感器有磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和压变等类型的光纤传感器。
【实验目的】1.了解光纤、光纤传感器的基本概念。
2.了解反射式光纤位移传感器的基本原理。
3.测量并绘出输出电压与位移特性曲线。
4.了解利用反射式光纤位移传感器测量转盘转速和振动频率的工作原理。
【实验原理】Array1.光纤的基本知识1)光纤的基本结构光纤（Optic Fiber）是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂敷层与护套构成，是一种多层介质结构的对称性柱体光学纤维。
光纤的一般结构如图5-5-1所示。
纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用，其中纤芯是光密媒质，包层是光疏媒质。
涂敷层与护套则主要用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。
实验五反射式光纤位移传感器实验
实验五 反射式光纤位移传感器一、实验目的了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。
二、基本原理反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。
反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。
本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。
两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。
由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。
图5-1 反射式光纤位移传感器示意图传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。
首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。
如图5-2中的a 图所示。
接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为：]])/(1[exp[])/(1[)(22/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-⋅+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数，c θ为发射光纤的最大出射角。
此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。
LED PINcouplerreflector图5-2 反射式强度调制光纤传感原理三 、实验仪器光纤传感实验仪主机，Y 型光纤传感器，三维调节架。
光纤位移传感器静态实验报告
光纤位移传感器静态实验报告传感器实验报告--光纤传感器静态实验北京XXX大学实验报告课程（项目）名称：实验四光纤传感器静态实验学院：自动化专业：自动化班级：学号：姓名：成绩：2013年12月10日一、任务与目的了解光纤位移传感器的原理结构、性能。
二、原理（条件）反射式光纤位移传感器的光纤采用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将接受到的光纤转换为电信号。
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。
三、内容与步骤(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；(2) 了解振动台在实验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘，在振动台上贴有反射纸作为光的反射面。
）(3) 如图３１接线：因光/电转换器内部已按装好，所以可将电信号直接经差动放大器放大。
F/V显示表的切换开关置2V档，开启主、副电源。
图３１(4) 旋转测微头，使光纤探头与振动台面接触，调节差动放大器增益最大，调节差动放大器零位旋钮使电压表读数尽量为零，旋转测微头使贴有反射纸的被测体慢慢离开探头，观察电压读数由小—大—小的变化。
（5）旋转测微头使F/V电压表指示重新回零；旋转测微头，每隔0.5mm读出电压表的读数，并将其填入表格中。
(6)关闭主、副电源，把所有旋钮复原到初始位置。
(7) 作出V-ΔX曲线，计算灵敏度S=ΔV／ΔX及线性范围。
四、数据处理（现象分析）旋转测微头使贴有反射纸的被测体慢慢离开探头时，电压读数的变化见下表：作出V-ΔX曲线：由图表可知当旋转测微头使贴有反射纸的被测体慢慢离开探头时在距离0.5到2.5mm区间和6.5mm到9.5mm区间的线性度较好，经计算，0.5到2.(转载于: 写论文网:光纤位移传感器静态实验报告)5mm区间的灵敏度S=0.831V/mm，6.5mm到9.5mm区间的灵敏度S=0.147V/mm。
反射式光纤位移传感器特性实验
仪器与电子学院实验报告（操作性实验）班级： 学号： 学生姓名：实验题目：反射式光纤位移传感器特性实验一、实验目的1）掌握反射光纤位移传感器工作原理； 2）掌握反射光纤位移传感器静态特性标定方法。
二、实验仪器及器件光纤、光电转换器、光电变换器、电压表、支架、反射片、测微仪。
三、实验内容及原理反射式光纤位移传感器的工作原理如图3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，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。
当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。
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位移量。
图1 反射式光纤位移传感器原理及输出特性曲线四、实验步骤1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2、将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片(即电涡流片)。
3、振动台上装上测微仪，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。
旋动测微仪，带动振动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小。
然后旋动测微仪，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表，作出V—X曲线。
4、根据所测数据求出平均值后，在坐标纸上画出输出电压-位移特性曲线（分前坡和后坡），计算灵敏度S=，并在坐标纸上画出V—X关系线性、灵敏度、重复性、迟滞曲线。
五、实验测试数据表格记录表1六、实验数据分析及处理1、线性度：图2 线性曲线由于线性方程误差较大，又生成了多项式方程表2%46.119.21.00955max 1=-=∆=FS y e2、灵敏度:1314.0S =∆3、重复性：图3表3重复性误差重复性%28.219.205.0max ==∆=FS R y e4、迟滞表4迟滞%28.219.205.0e max ==∆=FS t y六、实验结论与感悟1、实验结论 灵敏度为1314.0S =∆ 非线性误差为%46.119.21.00955max 1=-=∆=FS y e重复性为%28.219.205.0max ==∆=FS R y e迟滞为%28.219.205.0e max ==∆=FS t y2、通过本次实验，我掌握了光纤传感器的基本工作原理及其静态标定方法。
传感器实验仪实验指导书(应变 电容 霍尔 光电_光纤)2020.10.15
目录实验一金属箔式应变计三种桥路性能比较 (2)实验二电容传感器性能实验 (5)实验三霍尔式传感器—直流激励特性 (7)实验四光电开关传感器转速测量 (9)实验五光纤位移传感器静态实验 (11)实验一 金属箔式应变计三种桥路性能比较一、实验目的1、掌握应变传感器的基本工作原理；2、掌握应变传感器的测量电路（电桥电路）；3、学习传感器与计算机进行通信的方法；4、掌握利用虚拟仪器技术进行数据采集；5、掌握对测试数据进行静态特性分析的方法；6、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
二、预习要求1、认真阅读实验指导书，明确本次实验的目的，首先从理论上明白三种桥式电路的工作原理以及在本次实验中作用。
2、按照实验指导书的实验内容及步骤写出详细的实验步骤。
3、绘制与之对应的实验线路图，并说明详细的接线方法。
三、实验原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：/R R K ε∆=。
式中/R R ∆为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，/l l ε=∆为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压/4o U EK ε=，只有一个桥臂电阻是应变片，其余为固定电阻。
半桥测量电路中，将受力性质相反的两应变片接入电桥邻边，其余两个临边接固定电阻，输出电压/2o U EK ε=，其输出灵敏度比单臂桥提高了一倍；全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3= R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压o U KE ε=。
其输出灵敏度比半桥提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
四、实验仪器（所需单元及部件）直流稳压电源、差动变换器I 、电桥、电压表、砝码、应变片传感器、电源。
实验五 光纤传感器位移测量
实验五光纤传感器位移测量一、目的1 ．熟悉反射式强度外调制光纤位移传感器的工作原理。
2 ．掌握光纤位移传感器测量位移的方法。
二、实验设备光纤(光电转换器〉、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片三、实验原理1 ．光纤导光的基本原理。
光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。
然而根据光学理论：当所研究对象的几何尺寸（指光纤的芯径）远大于所用光波的波长，而光波又处在折射率变化缓慢的空间时可用“光线”即几何光学这一直观又容易理解的方法来分析光波的传播现象。
根据折射定律：光由光密媒质n0 射向光疏媒质n1时，折射角大于入射角，当入射角增至某一临界角ϕc时，出射光线沿两媒质的分界面传播，当入射角继续增大，ϕ0 >ϕc时，入射光线将不能穿过分界面而被完全反射回光密媒质中，这就是全反射。
光纤是由折射率较高（光密介质）的纤芯和折射率较低（光疏介质）的包层构成的双层同心圆柱结构。
能在光纤中传输的光线是满足全反射条件的子午光线（过光纤的轴心线，传播路径始终在一个平面内。
）和斜光线（不经过光纤轴心，不在一个平面内，它是一空间曲线）这两种光线称为受导光线。
在此只简要说明子午光线入射光纤的情况。
当光线与光纤光轴成θ角入射时，在纤芯内部将以ϕ0入射到纤芯的侧壁。
由于ϕ0>ϕc和n0> n1 ，则光在侧壁上产生连续向前的全反射，光在纤芯内成“之”字形传导，直至由终端射出。
如果入射角θ过大致使ϕ0角不能满足全反射的临界要求，即ϕ0< ϕc，光线会穿过纤芯的侧壁而逸出，产生漏光。
因此，最大入射角θ不能超过下式所要求的值式中，n为光纤所在环境的折射率（若为空气，则n=1），n sin 定义为数值孔径，记作NA，它是衡量光纤集光性能的主要参数。
它表示，无论光源发射功率多大，只有2θ张角内的光才能被光纤接收、传播（全反射），NA愈大，光纤的集光能力愈强。
2．光纤中光波的调制和相关的反射机制。
反射式光纤传感器原理操作步骤
五、注意事项1.不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件，以免造成实验仪不能正常工作。
2.光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝，以免折断。
3.旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进，不能超过其量程。
4.在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。
5.不得用手触摸反射面，以免影响实验结果。
六、实验操作1）光路与机械系统组装调试实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。
图3 光纤传感器安装示意图2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。
3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。
4.选择智能可调档位200mv或者2v档位。
5.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。
6.关闭电源。
2）发光二极管驱动实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。
2.仅仅把发射部分接入电路。
3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。
4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。
5.关闭电源。
3）光电探测器PD接收实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。
2.仅仅把接收部分接入电路。
3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。
4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。
5.关闭电源。
4）光纤位移传感器输出信号放大处理实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。
2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。
光纤位移传感器测位移特性实验
实验二十六光纤位移传感器测位移特性实验一、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：光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。
三、器件与单元：主机箱中的±15V直流稳压电源、电压表；Ｙ型光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面(抛光铁圆片)。
四、实验步骤：1、观察光纤结构：二根多模光纤组成Y形位移传感器。
将二根光纤尾部端面(包铁端部)对住自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，在探头端观察面为半圆双D形结构。
2、按图安装、接线。
⑴安装光纤：安装光纤时，要用手抓捏两根光纤尾部的包铁部分轻轻插入光电座中,绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔，插入时不要过分用力,以免损坏光纤座组件中光电管。
⑵测微头、被测体安装：调节测微头的微分筒到5mm处(测微头微分筒的0刻度与轴套5mm刻度对准)。
将测微头的安装套插入支架座安装孔内并在测微头的测杆上套上被测体(铁圆片抛光反射面)，移动测微头安装套使被测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。
3、将主机箱电压表的量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关。
调节实验模板上的R W、使主机箱中的电压表显示为0V。
4、逆时针调动测微头的微分筒，每隔0.1mm(微分筒刻度0～10、10～20……)读取电压线性度最好区域：5、根据表26数据画出实验曲线并找出线性区域较好的范围计算灵敏度和非线性误差。
实验完毕，关闭电源。
实验二十七光电传感器测转速实验一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器也称光耦)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示ｆ，即可得到转速ｎ=10f。
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实验五 反射式光纤位移传感器
一、实验目的
了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。
二、基本原理
反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。
反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。
本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。
两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。
由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。
图5-1 反射式光纤位移传感器示意图
传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。
首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。
如图5-2中的a 图所示。
接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为：
]]
)/(1[exp[])/(1[)(2
2/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-⋅+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数，
c θ为发射光纤的最大出射角。
此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。
LED PIN
coupler
reflector
图5-2 反射式强度调制光纤传感原理
三 、实验仪器
光纤传感实验仪主机，Y 型光纤传感器，三维调节架。
四 、实验步骤
1.根据图5-3示意安装光纤位移传感器，发射光纤插入实验仪的LED 孔上，接收光纤插入PIN 孔。
Y 形光纤耦合器的发射接收探头固定在三维微调架上的反射镜对应的位置处。
图5-3 反射式光纤传感实验图
2.调节光纤传感端面，使之与反射镜轻轻接触，记录此时z=0时的输出电压。
a.
b.
c.二维调节架
b.光纤传感实验仪主机
PIN 黑色 LED 绿色
a.发射接收光纤组件
3.增大光纤端面与反射镜之间的距离，每隔0.2mm记录1个数据，一直到z=1cm为止。
4.以上步骤完成后，从z=1cm开始，减小光纤端面与反射镜之间的间距，每隔0.2mm记录一次输出电压值，一直到z=0为止。
五、数据处理
根据测量数据画出实验曲线，计算测量曲线线性区的灵敏度。
六、思考题
1．光纤位移传感器测位移时对被测物体的表面有些什么要求？
2．本实验所使用的光纤是属于什么类型的光纤？
3．分析影响光纤位移传感器的输出光强的因素有哪些？
设计性实验：
实验六反射式光纤位移传感器测量液面高度
一、实验目的
学习使用反射式光纤位移传感器的测量方法，利用光纤位移传感器测量液面高度。
二、实验原理
液面高度测量技术在工业应用中十分普及，例如石油、化工等企业均会有大量的储罐容器需要进行液位的测量。
由于石油化工的易燃易爆有腐蚀性等原因，电传感器无法应用于这些场合，过去的液位测量多依靠人工完成，但随着光纤技术的发展，光纤位移传感器在液位测量领域中实现广泛的应用。
本实验利用实验五所用的的实验原理，将反射式光纤位移传感器应用于水面的液面高度测量。
三、实验仪器
光纤传感实验仪主机，反射式光纤位移传感器组件，光纤夹具和支架，升降台，烧杯。
四、实验内容
实验时学生自主设计，实验完成后补充。
要求：1、根据反射式光纤位移传感器的原理定标出液面高度测量的曲线；2、根据曲线拟合线性函数，得到传感器的测量灵敏度和测量范围；3、根据定标曲线测量某个未知液面高度，测量方法体现位移传感器的意义。