基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计.
光纤测位移实验报告
一、实验目的1. 理解光纤位移传感器的原理和结构。
2. 掌握光纤位移传感器的操作方法和数据处理技巧。
3. 通过实验验证光纤位移传感器的测量精度和稳定性。
二、实验原理光纤位移传感器是利用光纤的传输特性，将光信号作为信息载体，通过测量光信号的强度、相位、频率或偏振态等变化，实现对位移的测量。
本实验采用的光纤位移传感器为反射式光纤位移传感器，其工作原理如下：1. 激光光源发出的光经光纤传输到传感器探头。
2. 光探头将光束照射到被测物体表面，部分光被反射回来。
3. 反射光经光纤传输至光电转换器，将光信号转换为电信号。
4. 通过分析电信号的变化，可以计算出被测物体的位移。
三、实验仪器与设备1. 光纤位移传感器一套2. 激光光源一台3. 光电转换器一台4. 测微头一台5. 数显电压表一台6. 光功率计一台7. 光纤连接器若干8. 反射面一块9. 实验台一个四、实验步骤1. 搭建实验装置：将光纤位移传感器、激光光源、光电转换器等设备连接好，确保各部件连接牢固，信号传输畅通。
2. 调整激光光源：调节激光光源的输出功率，确保光信号强度适中。
3. 设置测微头：将测微头与被测物体固定，确保测微头能够精确测量被测物体的位移。
4. 调整光纤探头：将光纤探头放置在测微头前端，确保光纤探头与被测物体表面紧密接触。
5. 数据采集：启动实验设备，观察数显电压表和光功率计的读数，记录被测物体的位移和相应的电信号变化。
6. 数据处理：根据实验数据，分析光纤位移传感器的测量精度和稳定性。
五、实验结果与分析1. 测量精度：通过多次实验，分析光纤位移传感器的测量精度。
实验结果表明，光纤位移传感器的测量精度较高，能够满足实际应用需求。
2. 稳定性：观察光纤位移传感器的输出信号，分析其稳定性。
实验结果表明，光纤位移传感器的输出信号稳定，具有良好的重复性。
3. 影响因素：分析实验过程中可能影响测量结果的因素，如光纤连接质量、环境温度等。
六、实验结论1. 光纤位移传感器是一种可靠的位移测量工具，具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点。
反射式光纤微位移传感器
反射式光纤微位移传感器
丛红
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2003(022)009
【摘要】依据光纤反射调制原理进行了反射式光纤位移传感检测系统的设计,利用计数器外径千分尺的测头镜面作为反射体和微位移测量工具,详细介绍了微位移测量装置和传感器检测电路.实验表明,在0～2mm范围内检测系统的输出与位移成线性关系,灵敏度为195μV/μm,线性度为±0.5%,适于微位移的测量.
【总页数】3页(P70-71,77)
【作者】丛红
【作者单位】山东理工大学,机械工程学院精密模具重点实验室,山东,淄博,255012【正文语种】中文
【中图分类】TN253
【相关文献】
1.斜面透镜光纤在反射式光纤位移传感器中的应用 [J], 杨瑞峰;郎国伟;郭晨霞;张鹏;胡晨昊;盖婷
2.基于反射式塑料光纤传感器的微位移测量技术研究 [J], 贾旻;孙伟
3.反射式光纤传感器光纤对强度调制特性分析 [J], 隋鑫;徐熙平;徐海峰;孙健;张雷
4.单模光纤反射式结构光纤电流传感器温度敏感性分析 [J], 张昊
5.光纤参量对反射式光纤传感器输出特性的影响 [J], 任金坤;李亚非
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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。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计.
以此公式为标准经单片机处理就可以将电压 信号转换成为距离并显示在液晶上面。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
三、数据的处理
右图为实际测得的数据 拟合出来的曲线 拟合出来的曲线与我们实 测的数据非常接近，所以我 们就用此公式近似处理电压 信号，将电压转换成距离显 示出来。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设离的变化而变化。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。
在得到电压与距离的 关系之后就可以通过单 片机的处理将电压转换 成距离显示出来。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
二、实物制作
1、光发射模块 光源直接选择激光头
2、光纤传输与光电转换 为了提高耦合效率，我们选择了纤芯直径较 大的塑料光纤。 由于是可见光，所以光在反射时要避免可见 光的干扰，同样光电二极管接收的时候也要避 免可见光的干扰。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
5、AD转换模块
AD 转换模块我们选用了芯片TLC1543IN，它拥有11模拟输入通 道，与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接 简单。并且精确度也相对八位的高。
反射式光纤位移传感器应用设计实验
反射式光纤位移传感器应用设计实验肖怡安【摘要】基于光的反射原理并结合光纤传感器的特点,设计了反射式光纤位移传感器应用设计性实验.利用反射式光纤传感器测量微小位移的原理,通过测量输出电压与位移的关系确定工作点,测得表面祖糙程度不同的真假钞的输出信号,从而实现对纸币的真假识别.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2011(031)010【总页数】4页(P5-7,11)【关键词】光纤传感器;位移;粗糙度【作者】肖怡安【作者单位】武汉大学物理实验教学中心,湖北,武汉,430072【正文语种】中文【中图分类】TP212.141 引言光纤传感器是20世纪70年代中期出现的一种新型传感器，它具有绝缘、无电感、可绕曲、抗腐蚀、抗电磁干扰等特性[1－3].因此，光纤传感器可实现远距离监测和非接触测量[4－5].本文利用光的反射原理，并结合光纤传感器的特点，开设了反射式光纤位移传感器应用设计性实验.让学生自行设计实验方案并构建实验装置，最终实现对微小位移的测量及真假钞的识别.2 反射式光纤传感器测位移原理图1 双光纤组合探头测试原理图反射式光纤传感器可以用双光纤或二光纤束构成Y形光导.图1为双光纤组合探头测试原理图.发射光纤输出光能ε0在反射面反射后，由接收光纤接收，这时接收光纤所接收的光能等效于发射光纤虚像发出的光能.若光纤直径为2r，数值孔径为Φ，探头双光纤间距为l，光纤端面到反射面的距离为d，令t＝tanθ＝tan（arcsinΦ），则发射光纤的虚像光锥体底面积S0＝π（r＋2dt）2.由于接收光纤芯径很小，可将光锥边缘与接收光纤芯交界弧线做直线近似处理.通过计算，光锥体与接收光纤端面的交叠面积S为设反射耦合到接收光纤光能ε与发射光纤光能ε0的比值为K，即当l≈0时，传感器探头双光纤紧靠，因为电压Vo（或光电流）的输出与光纤芯r、孔径Φ等量密不可分，所以在光纤芯r、孔径Φ、反射面光检测器已确定情况下，输出电压Vo（或光电流）只是位移d的函数Vo＝f（d）.采用发光二极管作为光源，经过稳流后的发光二极管（或白光）入射于发射光纤，直接照射被测物的反射面（镀水银膜、玻璃镜面……），反射光由接收光纤把接收光能照射光检测器（PIN管或光电三极管）进行光电转换，由显示器（数字电压表或示波器等）测出输出电压（或光电流）与检测位移的关系.根据输出电压Vo与位移d的关系，不断改变探头与被测物反射面距离（由读数装置测d），由数字电压表读出输出电压Vo，输出电压Vo与位移d特性曲线如图2所示.从特性曲线得出：ab线段灵敏度高，而ce线段测量范围较宽，根据需要可选取不同的线性段[6－7].图2 Vo－d特性曲线3 实验及测试方法3.1 微位移测量电压将分辨力为10－5 mm的报废迈克耳孙干涉仪改装成微位移调节支架，光纤探头固定在一端，支架另一端（移动端）旋转微调鼓轮，实现微位移定量调节.测头端面是一镜面，作为反射体的反射面，反射面与接收光纤的轴线垂直，通过旋转微调鼓轮改变反射面相对接收光纤入射端口的轴向间距，主尺、粗调手轮和微调鼓轮的读数之和即为反射体的位移值[8].在传感器的前沿工作区取每0.05mm为1个测量点，测出对应于位移量d的输出电压值Vo，实验曲线如图3所示，图3中的拟合直线为Vo＝194.283 45 d＋9.041 02.传感器的特性为：量程为0～2mm，灵敏度为195μV／μm，线性度为±0.05%.从实验中可以看出：光纤探头与被测物接触或零间隙时，则全部传输光量直接被反射到入射光纤.没有提供光给接收光纤，输出电压信号为“零”.当探头与被测物距离增加时，接收光纤接收的光量增多，此关系直到接收光纤全部被照明为止，此时也被称之为“光峰值”.这一阶段就是图2中ab段，灵敏度高，线性好，动态范围小，适于微位移的测量.测量中要求装置固定不动、光源输出稳定，一经标定后，实验装置不能改变.图3 实验曲线与拟合曲线3.2 用光纤传感器测试纸币凹板印刷的设计及实验在测量位移d与输出信号Vo特性曲线的基础上，确定线性段，以便决定测量振动探头的位置.当把光纤探头置于图2曲线中与反射面距离d1位置时，可见其波形振幅较大，并随振动振幅变化而变化.若选取探头与反射面距离d2位置时，可看见波形振幅较小.如果探头位置不恰当地选在图2曲线中d3和d4位置时，则可看到振动波形失真.利用该特性，用光纤传感器测试纸币凹板印刷的不同振动波形.对于不同材质不同粗细的光纤与各式各样的处理电路，其测试物体表面粗糙度具有不同的计算参量.因为人民币的凹版印刷受到纸币新旧程度（磨损）的影响，以工业铸件标准去测试人民币的粗糙程度，是完全没有必要的.金融防伪器具的研制，对于凹版印刷的测试目的在于判别是否存在凹版印刷及纸币凹板印刷的特征，然后根据输出信号进行真假判别.本实验采用Y型双单模光纤组成的反射式位移传感器进行测试[9]，测试系统的组成如图4所示.入射、接收部分光源均采用激光器与光纤头进行耦合.用电流为10mA，工作电压为5V的稳直流电源供电，用LM124低噪声运算放大器作为前级同相放大，放大倍数1 000倍，输出范围0～3.6V.实验对象是真钞和没有凹版印刷的假钞.测试方法是将光纤探头轻压在钞票上的领肩部分，垂直于凹版印刷的条纹方向进行滑动，并用示波器观测放大1 000倍以后的信号，得到的波形图如图5所示.由图5可见，凹版印刷的信号呈现有规律的波形，而没有凹版的假币信号则是杂乱无章的，受到不均匀的纸质和油墨吸收而随机地上下起伏形成杂乱波形，而在真钞中由于采用凹版印刷，凸凹分布均匀，形成有规律的间隔，故波形为有规律状.在具体信号处理中，结合钞票相对于探头的滑动速度，可以判别出纸币是否存在凹版印刷，从而达到防伪的功能.图4 测试系统框图图5 实验信号波形4 实验结果1）光纤探头与被测物接触或零间隙时，全部传输光量直接被反射到入射光纤，没有提供光给接收光纤.当探头与被测物距离增加时，接收光纤接收的光量增多，此关系直到接收光纤全部被照明为止.此时也被称之为“光峰值”.这一阶段灵敏度高，线性好，动态范围小，适于要求高灵敏度、高准确度的测量.2）由实验结果可以看出，本实验所需光纤成本低，测试工作简单易行，且不受纸质影响，但对机械设计要求比较高，必须要保证过钞与底板之间距离保持一定，且固定架容易被磨损.5 结束语将光纤传感器的应用引入大学物理实验中，能让学生从实践中了解光纤的传光特性以及光纤在光纤通信领域以外的应用；学生通过自主设计完成实验，分析解决实验中出现的各种问题，诸如光源与发射光纤的耦合、光纤探头与探测物相对位置的确定、接收光纤与探测器的耦合等问题，激发创新潜能，提高实践能力.本设计实验开设的时间不长，内容设计还比较粗糙，有待今后教学实践中不断改进.【相关文献】[1] Bien F，Camac M，Caulfield H J，et al.Absolute distance measurement by variable wavelength interferometry[J].Applied Optics，1981，20（3）：400－403.[2] 张志鹏，Gambling W A.光纤传感器原理[M].北京：中国计量出版社，1991：189－190.[3] 刘瑞复，史锦珊.光纤传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，1987：116－127.[4] 贾亚民，杨拴科，朱钧.基于强度补偿式光纤传感器测金属线胀系数[J].物理实验，2008，28（10）：1－4.[5] 腾道祥.光纤传感器的基本工作原理及制作[J].物理实验，2010，30（8）：36－38.[6] 周殿清，张文炳，冯辉.基础物理实验[M].北京：科学出版社，2010：366－368.[7] 丛红，王辉林，关贵明，等.智能化光纤位移传感测试系统的设计[J].山东理工大学学报（自然科学版），2003，17（1）：33－36.[8] Grattan K T V，Sun T.Fiber optic sensor technology：an overview[J].Sensor and Actuators A：Physical，2002，82（1／3）：40－61.[9] 杨庆华，赵世平，赵背生，等.采用光纤传感器的电子塞规的设计[J].中国测试技术，2005，31（2）：60－61.。
反射式光纤位移传感器测距原理实验
反射式光纤位移传感器测距原理实验一.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。
二.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仪器：SET-QX型光纤位移传感器实验箱。
基于单片机的光纤智能位移计设计
基于单片机的光纤智能位移计设计当今世界是一个蓬勃发展的新时代，人们对高精度测量系统的需求日益增长，尤其在工程应用上。
虽然市场上已有许多测量系统，但其测量结果易受外界影响，基于这个特性，本文设计了一款以单片机作为控制核心，光纤位移传感器作为测量仪器的光纤智能位移计。
标签：单片机;光纤位移传感器近几年来，运用高精密度、高速率的仪器来测定物体位移的方法愈发受到人们的关注，特别是针对微小位移量的检测。
目前市场上出现了各种测量微小位移的方式，主要有电容式位移法、加速度位移法、干涉条纹法等等，但因其性价比较低、测量精度不高且不能适应恶劣环境的特性，常常对测量结果造成很大的测量误差，所以设计一款高精度且环境适应力强的位移计显得尤为必要。
一、光纤智能位移计的背景及研究意义位移传感器一直是科研人员积极关注的热点课题，其作用是把位移物理信号转换为电信号。
光纤传感是近年来发展起来的一种分布式监测技术，其专为恶劣环境所设计，现已应用在地质勘查，工业监测等广泛领域中，它具有灵敏度高、不受温度和电子干扰、电气隔离的安全级别高和耐水、耐高温、耐腐蚀等特性。
不仅应用在微波和射频环境、核能和高温环境中，还已经与物联网技术结合，实行在线监测。
二、光纤传感器的结构原理反射式光纤位移传感器的工作原理是从表面反射光的强度来实现反射。
其原理如图1.1所示：一个光纤耦合器将入射光纤和接收光纤以及测量光纤连接成Y 型结构。
即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉为两束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。
当光源发出的光经光源光纤照射到位移反射体上后，被反射后部分被重新耦合入测量光纤，再经耦合器和接收光纤输出，被光敏器件接收。
其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移改变时，则输出光强作相应的变化。
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。
三、光纤传感器的工作原理本设计采用的是反射式位移传感器，它在一定范围内位移与输出信号成线性关系且性价比高。
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。
基于光纤传感器微位移测量系统的设计
2.7 单片机控制模块
8051芯片有40根引脚，其引脚大致可以分为 4 类：电源、时钟、控制和I/O引脚。如下图所示：
光信号经转换以后变成电压 信号，这样就可以得到多组的电 压与距离的对应关系，将电压与 距离的对应关系输入到MATLAB软 件中进行拟合，拟合出电压距离 的公式，以此公式为标准经单片 机处理就可以将电压信号转换成 为距离并显示在液晶上面。
2.4 前置放大电路设计
本测量系统需要一个稳定度和灵敏度较高的前置放大电路。 因此我选择ICL7650运算放大器。ICL7650是Intersil公司利用动态校 零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运算放大器，它具有 输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、 漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。所以常常被用在热电偶、 电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。下 图为ICL7650组成的前置放大电路图。
当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随 着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，到达最大值点又随两者的距离增加而减小。 在得到电压与距离的关系之后就可以通过单片机的处 理将电压转换成距离显示出来。如下图所示：
20120511233前言位移是工业产品重要的特征参数过去的位移测量方法是依靠机械接触可是在现代工业生产中加工位移是工业产品重要的特征参数过去的位移测量方法是依靠机械接触可是在现代工业生产中加工一一型型速速精度和技术指标都越来越高所以需要个新快柔性好能直接在生产过程中进行非破坏性产品质量检测的测量方法
2.5 滤波电路设计
从前置放大电路出来的信号除了有用信号以外还包括一 些杂质信号，因此我们需要添加一个滤波器在其后面让有用 信号通过，其它频率的杂质信号都过滤掉，从而提高信噪比。 带通滤波电路图如下所示：
反射式光纤位移测量系统
单位代码 10006学号分类号密级毕业设计(论文)题目名称专业名称学生姓名指导教师2011年4月20日论文封面书脊四号黑体字四号黑体字小四号黑体字论文题目姓 名北 京 大 学独创性声明我在此郑重申明，本人所提交的毕业设计（论文），是在导师指导下由本人独立完成的研究成果，对文中所引用他人的成果，均已进行了明确标注或得到许可。
毕业设计（论文）中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，不包含他人已申请毕业证书（学位）或其他用途使用过的成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律结果，如有不实之处，由本人承担一切相关责任。
学生签名：时间：年月日反射式光纤位移测量系统摘要反射式光纤位移传感器由于具有原理简单、实现容易、工作可靠等诸多优点而受到越来越广泛的重视。
本系统由于要同时兼顾高精度和大量程的要求，因此在反射式光纤位移传感器的一般原理上进行了新的设计，使它较好的达到了实际的设计要求。
鉴于本项目中光纤传感头的设计与实现工作已经基本完成，本文主要侧重于对电路部分的设计与调试工作进行描述。
首先，本文将概述光纤传感器和光纤位移传感器的基本原理和特点，并且阐述选择反射式光纤位移传感器的原因。
其次，本文将讲述本系统中的核心部件－光纤传感头的基本工作原理，简述传感头的设计要求和实验曲线。
再次，本文将详细阐述本系统中光发射机的原理，设计过程和调试方法。
并给出图表说明。
最后，本文将简要叙述光接收机调试工作，讲述系统电路部分所用的电子元件的基本工作原理，并会对实验的结果进行说明。
在附录中，本文还将给出一些必要的程序的系统设计资料，供参考之用。
关键词：反射式，光纤，位移，测量Fiber-Optic Reflective Displacement Measuring SystemAbstractFiber-optic reflective displacement sensor attracts much attention for its particular advantages, such as simply theory, easy realization, good stability and so on. With the requirement of wide measurement range and high precision, it is re-designed based on the basic principle of the simplest reflective fiber-optic sensor. For some work having been finished at the beginning of this project, I will mainly describe the electric circuit.At first, I will introduce the characteristics, application and the present situation of optical fiber sensor, and then the principles of them, explaining the reason to choose the reflective type.The second, I will describe the principle, design method, and the turning method of the light source. I will do it carefully.At last, I will introduce the light receiver of the system, telling the way of some components works.At the supplement, I will write some thing like program code, dialogs and so on. It may be helpful for the future design.Key words:Reflective, Fiber-optic, Displacement, Measuring目录一、绪论 (5)（一）课题背景及目的 (5)（二）国内外研究状况 (5)（三）课题研究方法 (5)（四）论文构成及研究内容 (5)二、平行进口有关知识产权理论分析 (6)（一）地域性理论 (6)1．地域性理论的涵义 (6)2．地域性理论的历史发展 (7)3．地域性理论的历史发展 (7)（二）地域性理论 (7)1．地域性理论的涵义 (7)2．地域性理论的历史发展 (8)3．地域性理论的历史发展 (8)（三）地域性理论 (8)1．地域性理论的涵义 (8)2．地域性理论的历史发展 (8)3．地域性理论的历史发展 (8)（四）地域性理论 (8)1．地域性理论的涵义 (8)2．地域性理论的历史发展 (8)三、平行进口有关知识产权理论分析 (9)（一）地域性理论 (9)1．地域性理论的涵义 (9)2．地域性理论的历史发展 (9)3．地域性理论的历史发展 (9)（二）地域性理论 (9)1．地域性理论的涵义 (9)2．地域性理论的历史发展 (9)3．地域性理论的历史发展 (9)四、平行进口有关知识产权理论分析 (10)（一）地域性理论 (10)1．地域性理论的涵义 (10)2．地域性理论的历史发展 (10)3．地域性理论的历史发展 (10)（二）地域性理论 (10)1．地域性理论的涵义 (10)2．地域性理论的历史发展 (10)3．地域性理论的历史发展 (10)结论 (11)致谢 (12)参考文献 (13)附录 (14)附录A 1/f频谱图 (14)一、绪论随着知识产权国际保护的加强和国际贸易的繁荣，由此引发的平行进口与知识产权保护之间的冲突也愈演愈烈。
基于反射法的光纤位移-振动传感器优化设计
基于反射法的光纤位移-振动传感器优化设计董巧苗;惠战强;阮驰【摘要】采用非相干光作为光源,以平面镜为反射面,对光纤位移-振动传感器的性能进行研究.推导出光纤输出功率与测量距离的解析表达式,并详细探讨了不同光纤半径、光纤数值孔径、发射光纤和接收光纤间距、发射光纤和接收光纤轴线夹角下输出功率比与测量距离之间的内禀关系.仿真结果表明:光纤半径越小,光纤间距越大,可以测试的距离范围越小;光纤数值孔径、光纤轴线夹角越小,可以测试的距离范围越小.通过分析不同情况下,输出功率比随测量距离变化的关系,可以在实际工程应用中根据测量需要选择设计合适的传感器.此外,还对测量误差进行了分析,得到光纤轴线夹角越小,测量距离的范围越大,误差率越小,当光纤轴线夹角为0.25°时,误差率约为1％.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)002【总页数】7页(P281-287)【关键词】光纤传感器;反射法;功率比;光纤半径;数值孔径【作者】董巧苗;惠战强;阮驰【作者单位】西安邮电大学电子工程学院,陕西西安710061;西安邮电大学电子工程学院,陕西西安710061;中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119【正文语种】中文【中图分类】TN29实时精确测量感知位移-振动的微小变化，在精密机械加工、交通安全、飞行器导航等实际工程应用领域具有重要意义。
光纤位移-振动传感器由于损耗低、灵敏度高、质量轻，体积小、抗电磁干扰和耐腐蚀等优点而受到广泛关注[1-2]。
根据与测试物体是否进行物理接触，光纤传感器可以分为2大类：接触式和非接触式传感器。
因为接触式传感器对测试结果有扰动，所以在许多场合不适用。
而非接触式光纤传感器根据工作原理不同又可以进一步细分为干涉式和反射式。
基于干涉效应[3-4]、激光多普勒效应[5-6]和自混合干涉效应[7]等方法实现非接触式测量位移-振动的传感器表现出较好的性能，然而，由于其设备昂贵且复杂，灵敏度低且易受环境温度及光纤损耗等因素干扰，其应用受到限制。
本科毕业设计-基于光纤传感器的位移测试系统的设计
毕业设计题目基于光纤传感器的位移测量系统的设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自0702班学生王培荣学号***********指导教师马玉真二〇一一年五月二十日1前言1.1研究现状位移是工业产品的重要特征参数，以往典型的测位移方法是依靠机械接触，但在现代工业生产中，越来越高的加工精度和技术指标要求有新型、快速、柔性好、能直接在生产过程中进行非破坏性产品质量检测的测量方法。
因此新型的测量方式越来越得到人们的需求。
随着机械工业的需要，大位移的测量也在逐渐向微小位移的方向发展。
位移的测量的方式已经逐步由以前简陋的纯手工测量转变为较精准的系统测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为由光、电等技术参与的复杂测量。
随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。
光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器, 与以往的传感器不同, 它将被测信号的状态以光信号的形式取出。
传感器正是感知、检测、监控和转换信息的重要技术手段。
光信号不仅能被人所直接感知, 利用半导体二极管如光电二极管等小型简单元件还可以进行光电、电光转换, 极易与一些电子装配相匹配, 这是光纤传感器的优点之一；另外光纤不仅是一种敏感元件, 而且是一种优良的低损耗传输线；因此, 光纤传感器还可用于传统的传感器所不适用的远距离测量。
近年来光纤传感器得到了越来越广泛的应用。
1.1.1 国内研究现状清华大学李达成等专家成功研制在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器用稳频半导体激光器为光源，其光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其横向和纵向分辨率分别为0.73μm和0.39nm。
李岩等提出了一种基于频率分裂激光器的光强差法的纳米技术测量原理。
天津大学刘安伟等专家在量子隧道效应的基础上，创建了适用于平坦表面的用于扫描隧道显微镜微测量轮廓的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。
国内的江西科学院、清华大学、南昌大学等单位采用扫描探针显微镜系列，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。
反射式光纤位移传感器应用设计实验
改变 ．
测 物 的反射 面 （ 水银 膜 、 璃镜 面 …… ）反射 光 镀 玻 ，
由接收 光纤把 接 收 光 能 照射 光 检 测 器 （ Ｉ 管 或 ＰＮ 光 电三 极管 ） 进行 光 电转 换 ， 由显示 器 （ 字 电压 数 表 或示 波器 等） 出输 出 电压 （ 光 电 流） 检 测 测 或 与
பைடு நூலகம் 物
理
实
验
第３ 卷 １
采 用发 光二 极 管作 为光 源 ， 过 稳 流 后 的发 经 光 二极 管 （ 白光 ） 射 于发 射 光 纤 ， 接 照 射 被 或 人 直
收 光纤接 收 的光 量 增 多 ， 关 系 直 到 接 收光 纤 全 此
部被 照 明为止 ， 时也 被 称 之 为 “ 峰 值 ” 此 光 ．这 一 阶段 就是 图 ２中 ｎ 段 ， 敏度高 ， ６ 灵 线性 好 ， 动态 范 围小 ，适 于微 位移 的测量 ．测量 中要求 装 置 固定
ｓ ａｏ ｉ ｒｓ 一 ）． ｎ ｃ （ ］ ｃ ）
设 反 射耦合 到接 收光纤 光 能 ｅ 发射光 纤 光能 ｅ 与 。
的 比值 为 Ｋ， 即
Ｋ ： 一 Ｓ
，
２ 反 射 式 光 纤传 感 器 测位 移 原 理
反 射式 光纤传 感器 可 以用双 光纤或 二光 纤束 构 成 Ｙ形 光导．图 １ 双光纤 组合 探头 测试 原理 为
信 号 ， 而 实 现 对 纸 币 的真 假 识 别 ． 从 关键词 ： 纤传感器 ； 移 ； 光 位 粗糙 度
中 图分 类 号 ： Ｐ １ ． ４ Ｔ ２２ １ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ５４４ （０ １１ —０ ５０ １ ０—６ ２ ２ １ ）００ ０ —３
实验八 光纤传感器-----位移测量
实验七光纤传感器-----位移测量
实验原理：
反射式光纤传感器工作原理如图所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。
反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线
实验所需部件：
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
实验步骤：
1、观察光纤结构:本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2、连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央(镀铬圆铁片)，螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。
3、开启主机电源，光电变换器V o端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片(如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合)，此时V o输出≈0。
然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔.0.2mm记录一数值并记入下表：。
光纤位移传感系统课程设计
光纤位移传感系统课程设计一、引言光纤位移传感系统是一种利用光纤作为传感元件的位移测量方法，通过测量光纤中的光的相位变化来得到被测物体的位移信息。
光纤位移传感系统具有高灵敏度、大动态范围、无电磁干扰等优点，在工业生产、医疗诊断和结构监测等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光纤位移传感系统的设计原理、硬件组成和软件开发等内容。
二、设计原理光纤位移传感系统的设计原理基于光纤的折射指数和光的相位差变化之间的关系。
当光纤受到外界力（如拉力、压力或位移）作用时，其折射指数会发生变化，从而导致光的相位发生变化。
通过测量光纤中光的相位变化，可以得到被测物体的位移信息。
三、硬件组成光纤位移传感系统的硬件组成主要包括：光源模块、光纤传感器、光电检测模块和信号处理模块。
光源模块光源模块是光纤位移传感系统的核心部分，它负责产生光信号并通过光纤传输到被测物体。
常用的光源有激光二极管、光纤光源和白光源等。
在设计时需要考虑光源的功率、波长和稳定性等参数。
光纤传感器光纤传感器是一种基于光纤中的信号变化来测量位移的传感器。
它由光纤和光机构组成，通过选择不同的光机构，可以实现不同的位移测量方式，如干涉型、散射型和光栅型等。
光电检测模块光电检测模块用于接收光纤传感器中的光信号，并将其转换成电信号。
常用的光电检测器有光电二极管、光电倍增管和光电二极管阵列等。
信号处理模块信号处理模块负责对光电检测器输出的电信号进行处理和分析，以得到被测物体的位移信息。
通常采用数字信号处理技术，如滤波、放大、采样和数据处理等。
四、软件开发光纤位移传感系统的软件开发主要包括数据采集、信号处理和数据显示等功能。
数据采集数据采集是光纤位移传感系统的基本功能，它通过光电检测模块接收到的光信号，将其转换成数字信号，并进行采样存储。
在数据采集过程中，需要考虑采样率、量化精度和数据传输等因素。
信号处理信号处理是提取和分析光纤位移传感系统中的位移信息的关键步骤。
通过滤波、放大和数字信号处理方法，可以获得高质量的位移信号。
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3、放大滤波模块
此部分采用一阶有源滤波电路，因为它 的电路比较简单，可以和放大电路合并到一 起。进行两级放大滤波。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于是直流信号，所以我们设定一个较大的截止频率 就好，考虑到fp=0.37f=0.37/(2RC)，以及电阻上的压 降的影响，所以我们选取R=33，C=100。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
反射式光纤位移传感器
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
一、原理 二、实物制作 三、 数据处理
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
一、原理：
光在光纤中传输如图1所示：
反射式光纤位移传感器是一种传 输型光纤传感器。 如图2： 光纤采用Ｙ型结构，两 束光纤一端合并在一起组成光纤探 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 到发射光纤，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 到的光强与反射体表面性质、反射 体到光纤探头距离有关。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
二、实物制作
1、光发射模块 光源直接选择激光头
2、光纤传输与光电转换 为了提高耦合效率，我们选择了纤芯直径较 大的塑料光纤。 由于是可见光，所以光在反射时要避免可见 光的干扰，同样光电二极管接收的时候也要避 免可见光的干扰。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
5、AD转换模块
AD 转换模块我们选用了芯片TLC1543IN，它拥有11模拟输入通 道，与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接 简单。并且精确度也相对八位的高。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
6、单片机控制模块
光信号经转换以后变成电压信号， 这样就可以得到多组的电压与距离 的对应关系，将电压与距离的对应 关系输入到MATLAB软件中进行拟合， 拟合出电压距离的公式
对mm量级的位移量进行非接触式的测量， 精度高； 采用单片机实现实时数据采集和显示。 通过硬件实验平台和MATLAB等软件的 合理结合，使课内实验不再是理论知识 的枯燥接受，而是创新性和动手实践的 结合。在学习理论知识的同时，培养了 动手能力。在实验中通过对碰到的问题 的解决，培养了我们发现问题、解决问 题的能力。增加了自主学习的能力，使 我们在各方面都有了提高。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
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。
在得到电压与距离的 关系之后就可以通过单 片机的处理将电压转换 成距离显示出来。
以此公式为标准经单片机处理就可以将电压 信号转换成为距离并显示在液晶上面。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计
三、数据的处理
右图为实际测得的数据 拟合出来的曲线 拟合出来的曲线与我们实 测的数据非常接近，所以我 们就用此公式近似处理电压 信号，将电压转换成距离显 示出来。
基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统设计