《光电检测》实验讲义学生

《光电检测》实验指导书

实验一光纤传感器实验

（一）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

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。

五、思考题：

1、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？

（二）光纤传感器测量振动实验

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。

5、根据实验（一）的数据，计算出梁的振动幅度有多大？

五、思考题：

1、试分析电容式、电涡流、光纤三种传器测量振动时的特点？

（三）光纤传感器测量转速实验

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（二）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。

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？

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？

实验二 PSD实验

(一) 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。

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。

注：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。

四、思考题：

1、测量物体的位置与位移，其概念有什么不同？

2、本实验可以测微振动吗？

（二）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。

思考题：

1、根据实验原理，微振动的测量灵敏度取决于哪些因素？

（三）PSD位置传感器用于自动定位*

根据对实验四十二的理解，学生可以设想当某一工件需精确定位时，是否可用PSD传感器来完成？如需自动调整位置，还需增加哪些部件？试画出方框图。

实验三 CCD图像传感器线（圆）径测量实验

CCD线（圆)径测试实验仪是利用物体(被检测物)在CCD成像传感器上的投影来测量物体径向宽度的光电测量设备。利用计算机技术将CCD成像传感器上的投影图像，通过数字化的采集、传输、处理，最终显示，使得能更方便、准确地观察、测量物体的几何形状及尺寸，尤其是微小的物体，并可以存储、保存或打印测量内容，大幅度地提高了工作效率，减轻了操作者的工作强度。

一、CCD线( 圆)径测试仪的特征和参数

1、成像面尺寸：640×480像数

2、镜头焦距：可调

3、有效测量范围：0.5mm～10mm

4、干扰误差：小于0.5mm

二、CCD线（圆）径测试仪系统组成

1、成像传感器及电子处理模块

2、成像光学系统

3、标准件

4、遮光盒

5、USB接口线

6、测量软件

三、CCD线径测试仪测量原理

被测体与背景发出的自然光，通过光学系统后，在CCD传感器端成像，成像的清晰度由光学系统控制(即调焦），摄像头具有自动调焦的功能，也可手动调焦。由于被测体与背景在成像端有一定的对比度，通过二值化图像，可测出被测体的像素，当被测体与光学系统的距离一定时，被测体的成像像素与被测体实际尺寸具有一定的比例关系，通过标准件的定标，得出相应的比例因子，这样通过计算就能测出被测体的尺寸。

四、CCD线（圆）径测试仪实验步骤

1. 将仪器上的USB线连接到计算机上

2. 软件安装：

与本软件配套使用的实验仪是杭州赛特传感技术有限公司生产的CCD线（圆）径测试仪。

首先安装摄像头的驱动程序，安装完成后会在设备管理器的图像处理设备中出现USB PC Camera，表示驱动安装完成。

然后，把光盘中的DimensionWithCamera.exe文件复制到所要安装的目录下。（本测量软件无需安装）

3. 使用：

双击DimensionWithCamera.exe图标，即启动CCD线（圆）径测试仪软件程序。便会出现上图，说明如下：

<1>系统：点击系统可选择退出；

<2>选项：点击选项可进行参数设置；如下图

取点位置为测线径时的设置(如上图)，利用水平的五条直线（即绿线，位置可自己设定，设定范围在100-500垂直像素之间）与被测物体左边相交的五个点确定一条拟合直线，在被测体的右边与这五条直线的交点上任意选定一点（即小红点），那么此点到左边拟合直线的垂直距离即为被测体的线径。

光线强度的设置（如上图），根据被测环境的情况选择合适光线强度，调节到二值化图像清晰为止，在被测体图像上无黑斑。根据被测体的亮度选择相应项（此实验装置选第一个）。

镜头参数的设置（如上图）：本仪器镜头至背景的距离为50mm。由于摄像头采集出来的图像边缘有一定的几何失真，为此本软件设定了变形修正系数。用于补偿几何变形。

系统参数的设置（如上图）:

①测量间隔时间：即每隔多少时间测量一次；

②取值平均次数：设定显示值的测量次数；

式中：为显示值，N为取值平均数, , , 为每次的测量值

③像素转换系数为设定像素与实际物体的比值（比例因子），单位为像素/毫米。在实验中先用标准件测出它的像素值，除以标准件的实际尺寸，求得它的像素转换系数，再去测其它的被测体。

<3>控制：控制测量的启动和停止。当启动后出现下图，

<4>形状：设定测线径还是圆径。

<5>二值化图像显示窗口。

<6>原始图像显示窗口。

<7>测得的实际像素值。

<8>除以比例因子后的实际值。

注意：

1.当测不到物体或者测量无效时会发出警报声。

2. 在测量圆径时，二值化图像中的十字架必须点在圆盘里面的任意位置。

3.在标定好像素转换系数后不能移动测试系统。