光纖位移傳感器工作特性研究

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)期論文光纖位移傳感器工作特性研究 學(xué)院:信息科學(xué)與工程學(xué)院班級(jí):電信六班學(xué)號(hào):201300121078姓名:李廣鵬摘要:通過介紹關(guān)于光纖位移傳感器工作特性研究的實(shí)驗(yàn),了解光纖位移傳感器的特性。并且以測(cè)量紙張的厚度為例,介紹光纖位移傳感器在厚度測(cè)量上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:光纖;傳感器;紙張;厚度1.光纖簡(jiǎn)介光纖在通信、圖像傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用為人熟知。其實(shí)光纖傳感器在工農(nóng)業(yè)、科研等領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用。光纖床干起是利用光纖的轉(zhuǎn)換功能或傳輸功能而研制的傳感器。光纖的傳輸特性對(duì)某些外界條件的變化(如壓力、應(yīng)變、溫度以及電磁場(chǎng)較為敏感。利用光纖的這些敏感反映可研制出相應(yīng)的傳感器,可用于溫度、應(yīng)力

2、、應(yīng)變、粗糙度等七十多種物理量的測(cè)量,被譽(yù)為“萬(wàn)能傳感器”,具有其他傳感器不可媲美的諸多優(yōu)點(diǎn)。單根光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖所示,它由纖芯、包層及護(hù)套組成,纖芯為直徑很小的圓柱形透明電解質(zhì)纖維(某種玻璃或塑料制成。環(huán)繞纖芯的是一層圓柱形套層,稱為包層。它的折射率與纖芯略有不同的玻璃或塑料制成,然后,用一層護(hù)套將它們包覆。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性能,光纖的強(qiáng)度由護(hù)套來維持。 2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康? (1了解光纖位移傳感器的工作特性。(2學(xué)習(xí)Excel程序和計(jì)算器求斜率和相關(guān)系數(shù)。(3學(xué)習(xí)用光纖位移傳感器測(cè)量微小長(zhǎng)度量。3.實(shí)驗(yàn)儀器:CSY998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀(右圖,塞尺,待測(cè)工件,導(dǎo)線等。4.實(shí)驗(yàn)

3、原理;如圖所示為光纖位移傳感器測(cè)量原理圖。一束多股光纖(光源光纖將光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物體表面上,另一束多股光纖(接收光纖用于接受被測(cè)物表面反射的光,兩股光纖匯合處用有機(jī)玻璃固封,稱作光纖位移傳感器的探頭。反射光經(jīng)接收光纖、光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后輸出。輸出電壓的強(qiáng)弱決定于反射光強(qiáng)的大小。當(dāng)光纖傳感器探頭的端口緊貼反射面時(shí),光源光纖的出光口被擋住,接收光纖接收不到反射光,因此無電壓信號(hào)輸出,隨著反射面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭端口,反射面被光纖發(fā)出的光照亮的區(qū)域A越來越大,發(fā)光光錐與接收光錐重合的面積B1越來越大,如圖所示,傳輸?shù)焦饷粼系墓鈴?qiáng)逐漸變大,傳感器輸出的電壓信號(hào)也隨之,接受光纖變大。

4、當(dāng)反射面移到某一位置時(shí),接受光纖的整個(gè)端口C被全部照亮,因而輸出電壓達(dá)到最大值,稱為“光峰點(diǎn)”。此后當(dāng)反射面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí),盡管接收光纖的整個(gè)端口C仍然被全部照亮,由于單位面積內(nèi)反射光的強(qiáng)度在減小,因而隨著距離的增大,傳輸?shù)焦饷粼系墓鈴?qiáng)越來越小,傳感器輸出的電壓值也就越來越小。輸出電壓與距離的關(guān)系如圖所示。光峰點(diǎn)之前的區(qū)段稱為上升沿,光峰點(diǎn)之后的區(qū)段稱為下降沿。在上升沿和下降沿,各有一個(gè)區(qū)域,輸出電壓與位移成線性關(guān)系。但上升沿斜率比較大,意味著電壓對(duì)位移的變化比較敏感,靈敏度高,故可以利用該區(qū)段測(cè)量微小直線位移。實(shí)際上,輸出電壓的大小不僅與傳感器端口到反射面的距離有關(guān),還與光源的發(fā)光強(qiáng)度、反射

5、物體表面的反射率、電路增益、光路效率、光電轉(zhuǎn)換效率等因素有關(guān),當(dāng)其他因素一定時(shí),電壓的大小只是位移的函數(shù)。當(dāng)傳感器端口到反射面的距離保持一定時(shí),輸出電壓與實(shí)驗(yàn)內(nèi) 5.容:(1測(cè)定光纖位移傳感器的工作特性曲線1觀察光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu),了解振動(dòng)臺(tái)在實(shí)驗(yàn)儀上的位置(實(shí)驗(yàn)儀臺(tái)面上右邊的圓盤。將工件放到圓臺(tái)上,其表面用作反光面。光纖傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)反光面后,固定在支架上。2因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器已安好,所以可將電壓信號(hào)直接送入電壓/頻率表,電壓/頻率表的切換開關(guān)置于2V擋,供電電壓置于±2V擋,將光電變換器電路的增益調(diào)節(jié)到最大(順時(shí)針向轉(zhuǎn)動(dòng)“增益”按鈕,開啟電源主副開關(guān)。3使光纖傳感器探頭與反光面良好

6、接觸,盡量使電壓表的讀數(shù)為零。若讀數(shù)過大,應(yīng)調(diào)節(jié)探頭的取向。此時(shí),傳感器端口與反射面的距離X為零。(4順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)測(cè)微儀,每隔0.250mm讀一次電壓表的數(shù)值,將其填入表一,計(jì)算V=Vi+1Vi(2測(cè)定儀器的靈敏區(qū)、線性區(qū)1表一中,有幾組V的值比較大,表明該范圍內(nèi)電壓對(duì)位移的變化敏感。2在儀器的靈敏區(qū),每隔0.100mm重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一中的測(cè)量,將數(shù)據(jù)填入表二,若靈敏區(qū)比較小,可減小每步測(cè)量間隔,以獲得比較多的數(shù)據(jù)。計(jì)算V,找出其中線性好的區(qū)域。(3測(cè)量工件表面高度差2固定探頭高度將工件放到圓臺(tái)上,由塞尺測(cè)量工件表面到傳感器端口間的距離,調(diào)節(jié)測(cè)微儀,使該距離在上升沿靈敏區(qū)的線性范圍內(nèi)。讀出電壓

7、值V1,保持圓臺(tái)到傳感器端口間的距離不變。3將工件另一側(cè)移至探頭下方,工件的高度差會(huì)引起電壓變化,記錄此時(shí)的電壓值V2。注意V2的值也應(yīng)在上升沿靈敏區(qū)的線性范圍內(nèi),可算出工件表面的高度差。4關(guān)閉電源,把所有的旋鈕復(fù)原到初始位置。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果:表(1 V/v V/V x/mm V/v V/V x/mm V/v V/V x/mm V/v V/V 表（2） x/mm V/v V/V x/mm V/v V/V 0.786 0.006 4.250 0.666 -0.046 6.250 0.370 -0.027 8.250 0.220 -0.014 0.829 0.043 4.500 0.622 -0.0

8、44 6.500 0.345 -0.025 8.500 0.206 -0.014 0.849 0.020 4.750 0.578 -0.044 6.750 0.323 -0.022 8.750 0.195 -0.011 0.844 -0.005 5.000 0.535 -0.043 7.000 0.303 -0.020 9.000 0.186 -0.009 0.820 -0.024 5.250 0.497 -0.038 7.250 0.283 -0.020 9.250 0.176 -0.010 0.792 -0.028 5.500 0.460 -0.037 7.500 0.265 -0.018

9、 9.500 0.167 -0.009 0.754 -0.038 5.750 0.426 -0.034 7.750 0.249 -0.016 9.750 0.158 -0.009 0.712 -0.042 6.000 0.397 -0.029 8.000 0.234 -0.011 10.00 0.150 -0.008 0.750 0.111 0.041 1.750 0.557 0.039 0.850 0.161 0.050 1.850 0.594 0.037 0.950 0.207 0.046 1.950 0.628 0.034 1.050 0.252 0.045 2.050 0.661 0.

10、033 1.150 0.296 0.044 2.150 0.687 0.026 1.250 0.336 0.040 2.250 0.713 0.026 1.350 0.381 0.045 2.350 0.736 0.023 1.450 0.427 0.046 2.450 0.755 0.019 1.550 0.473 0.046 2.550 0.768 0.013 1.650 0.518 0.045 2.650 0.778 0.010 實(shí)驗(yàn)分析 7.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量一張紙的厚度 使用光纖位移傳感器測(cè)量紙的厚度，要注意很多細(xì)節(jié)問題，因?yàn)榧垙埖暮穸?很小， 稍微的誤差就使測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果差別很大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性與反光 表面的反射率有關(guān)，當(dāng)所用試件表面經(jīng)過較好的處理后，測(cè)量會(huì)很準(zhǔn)確。通過光 纖位移傳感器工作特性研究的實(shí)驗(yàn)， 我們知道傳感器線性區(qū)的大小斜率確定了所 用儀器的量程，只有在此量程內(nèi)進(jìn)行的測(cè)量才是合理的。 首先測(cè)量出光纖位移傳感器的相關(guān)系數(shù)，在敏感區(qū)的線性區(qū)內(nèi)，儀器的敏感 度、和線性度都較高，可用于準(zhǔn)