光纤位移传感器实验
光纤位移传感器实验
一、实验目的
1、了解光纤位移传感器工作原理及其特性；
2、了解并掌握光纤位移传感器测量位移的方法。
二、实验内容
1、光纤位移传感器输出信号处理实验；
2、光纤位移传感器输出信号误差补偿实验；
3、光纤位移传感器测距原理实验；
4、利用光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系；
5、实验误差测量。
三、实验仪器
1、光线位移传感器实验仪1台
2、反射式光纤1根
3、对射式光纤2根
4、连接导线若干
5、电源线1根
四、实验原理
本实验仪通过光纤位移传感器位移测量实验，熟悉光纤结构特点及光纤数值孔径的定义，掌握光纤位移的测量原理，熟悉光路调整方法。
本实验仪可以完成反射式和对射式光纤位移传感器实验，重点研究光纤位移传感器的工作原理及其应用电路设计。
通常按光纤在传感器中所起的作用不同，将光纤传感器分成功能型称为传感
（或
型）和非功能型（传光型、结构型）两大类。功能型光纤传感器使用单模光纤，它
在传感器中不仅起传导光的作用，而且又是传感器的敏感元件。但这类传感器大制造上技术难度较大，结构比较复杂，且调试困难。
非功能型光纤传感器中，光纤本身只起传光作用，并不是传感器的敏感元件。它是利用在光纤端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。所以这种传感器也叫传输回路型光纤传感器。它的工作原理是：光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号直接传导到光电元件上，实现对被测物理量的检测。为了得到较大的受光量和传输光的功率，这种传感器所使用的光纤主要是孔径大的阶跃型多模光纤。该光纤传感器的特点是结构简单、可靠，技术上容易实现，便于推广应用，但灵敏度较低，测量精度也不高光纤位移传感器实位移测量器件，利用光纤传输光信号的功能，根据检测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。
光纤位移传感器属于非功能型光纤传感器。
相关参数：
1、光源：高亮度白光LED,直径5mm
2、探测器：高灵敏度光敏三极管
3、反射式光纤位移传感器
光纤芯直径：①1+①0. 265X 16
长度：50mm
检出距离：50mm
最小检出距离：0. 01mm
4、对射式光纤位移传感器
光纤芯直径：①1
长度：50mm
检出距离：50mm
最小检出距离：0. 0lmm
5、二维调节支架
13mm移动距离，分辨率0. 01mm
5、电压表（实验箱集成）
200mV、2V、20V三档可调
光纤位移传感器位移测量原理
1?如图是反射式线性位移测量装置
光从光源耦合到输入光纤射向被测物体，再被反射回另一光纤，由探测
器接收。设两根光纤的距离为d,每根光纤的直径为2a,数值孔径为N,如图所示，这时
i
由于0二sin" N，所以式可以写为
一
1
2tg (sin N)
外。两光纤的耦合为零，无反射进入接收光纤；当 b
> [d / 2tg(sin_1 IV )]时, 即接收光
纤位于光锥之内，两光纤耦合最强，接收光纤达到最大值。
d 的最
大检测范围为a /tg(gn N
)。
如果要定量的计算光耦合系数，就必须计算出输入光纤像的发光锥体与 接收光纤端面的交叠面积，如图所示，由于接收光纤芯径很小，常常把光锥 边缘与接收光纤芯交界弧线看成是直线。通过对交叠面简单的几何分析，不 难得到交叠面积与光纤端面积之比。即
本实验采用的传光型光纤，它由两束光纤混合后组成，两光束混合后的 端部是工作端亦称探头，它与被测体相距
X ,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量， 而光电转换器的电量大小与间距
X 有关，因此可用于测量位移。
2 ?对射式光纤测距采用两根光纤，一根用于将光源发出的光传导发射， 另一根用于接收发射光
传导给探测器。当两根光纤发射面与接收面距离改变 时，探测器探测到的光强度会发生变化，从而起到测量位移的作用。两根光 纤完全相同，既可以做发射光纤也可以做接收光纤。 五、注意事项
1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正 常工作。
2、 不要光纤传感器弯曲半径不得小于 3cm ，以免折断。
3、 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。
很显然，当
b<[ d /2tg (谕匕 N)]
时，即接收光纤位于光纤像的光锥之 ct
输出光纤係11 \
六、实验操作
1）光学系统组装调试实验
1、安装对射式光纤传感装置。二维平移台由两个一维平移台组成，其中每个一维平移台上面有五个固定螺孔，将其中一个连接杆架固定在左边平移台上靠右的螺孔上，另一个连接杆架固定在右边平移台上靠左的螺孔上，这样两个杆架相隔最近。注意：安装第二个杆架需要取下杆架上面的紧固螺钉，否则冲突不能安装。
对射式光纤传感器为两根单独的光纤，各自通过连接杆，插入连接杆架，通过杆架上面的紧固螺钉固定，并通过调节上下位置，保证光纤发射面和另一根光纤接收面在同一水平面上。二束光纤分别插入实验仪左侧发射和接收端。发射和接收孔内已和发光二极管及光电探测器相接。
2、调节左边位移台上测微丝杆，使两根光纤端面同轴心。调节右边位移台上测微丝杆，使两根光纤端面刚好接触。
3、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“ +”、“-”，电压表选择20V 档。
4、打开电源开关，调节右边平移台上测微丝杆使两根光纤传感器端面离开，观察电压表显示变化，对射式光纤传感系统组装完成。学习通过调节位移台控制两根光纤端面的对准及横向和纵向偏离。
5、关闭电源，取下两根光纤，连接杆取下。．
6、安装反射式光纤传感装置。
反射式光纤传感器上光纤为二束，其中一束由单根光纤组成，实验时对应插入发射孔；另一束由16 根光纤组成，实验时对应插入接收孔。通过连接杆，插入连接杆架。平面反射镜通过另一根连接杆接入另一个连接杆架，通过调节上下位置，保证光纤发射面和平面反射镜中心在同一水平面上，铜鼓杆架上面的紧固螺钉固定反射式光纤和平面反射镜。
7、调节左边位移台上测微丝杆，使光纤端面与平面反射镜同轴心。调节右边位移台上测微丝杆，使光纤端面与平面反射镜刚好接触。
8、打开电源开关，调节右边平移台上测微丝杆使两根光纤传感器端面离开，观察电压表显示变化，反射式光纤传感系统组装完成。
9、关闭电源。如果继续进行下面的实验光纤位移装置和连线可不拆除。
2）发光二极管驱动及探测器接收实验
1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。对射式和反射式任选一种即可。
2、打开电源开关，取出发射端光纤，观察发光二极管发光，发光二极管发出的光很耀眼，不要用眼直视。慢慢插入发射端光纤到底，插入过程智能光观察电压表变化，并分析变化原因。
3、电压表选择20V档，电路输出端（Uo）连线拆掉，对应接入发射测试孔两端（红借蓝、黑接黑），电压表显示值即为发光二极管工作电压。根据实验仪面板上发光二极管驱动电路图示分析发光二极管驱动原理。
4、电压表选择200mV档，电路输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“ +”、“-”。调节螺旋测微丝杆，观察电压表显示变化。根据实验仪面板上探测器接收电路图示，分析光电探测器使用原理。
5、关闭电源。拆除所有连线，如果继续进行下面的实验，可不拆除光纤位移装置。
3）光纤位移传感器输出信号处理实验
1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。对射式和反射式任选一种即可。．
2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。输出端（Uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“ +”、“-”，电压表选择2V档。
3、打开电源开关，调节螺旋测微丝杆，调节增益调节旋钮，观察电压表显示变化。根据实验仪上面
探测器放大电路图示分析放大电路工作原理。
4、关闭电源。拆除所有连线，如果继续进行下面的实验，可不拆除光纤位移装置。
4）光纤位移传感器输出信号误差补偿实验
1、安装光纤位移传感实验装置以及连线请参照实验1）的步骤。对射式和反射式任选一种即可。
2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接。输出端（uo）及其下方测试孔（系统地）按照颜色对应接入电压表输入端“ +”、“一”，电压表选择2V档。
3、将接收光纤从接收孔中拔出，并用手指封住接收孔。
4、打开电源开关，观察电压表显示值，并分析原因。
5、关闭电源。增加补偿调零电路。绿色测试孔与黑色测试孔的连线拆除，补
偿调零调节旋钮的测试孔按照颜色对应接入电路中测试孔（黄接黄、绿接绿、
蓝接蓝）。
6、打开电源，用手封住接收孔，调节补偿调零旋钮，将电压表显示值调节为零。分析不成调零电路原理及其好处。
7、关闭电源。拆除光纤位移装置及连线。
5）光纤位移传感器测距原理实验（对射式）
1、参照实验1）步骤安装对射式光纤传感器实验装置。
2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路。
3、调节位移台，使两根光纤端面同轴心并接触。此时探测器输出电压最大。
4、打开电源开关，调节平移台使两根光纤端面渐渐离开，每隔0．1mm 读出数显表值，记录40 组数据。
5、根据记录数据绘制曲线。
6、分析。
7、关闭电源。拆除所有连线和光纤位移装置。
6）光纤位移传感器测距原理实验（反射式）
1、参照实验1）步骤安装反射式光纤传感器实验装置。
2、将发射和接收部分的测试孔用导线按颜色对应接入电路上发射、接收端测试孔；探测器输出信号处理电路接上调零电路。
3、调节位移台，使反射式光纤传感器端面与平面反射镜接触，此时探测器输出电压应该为零，若不为零，调节调零旋钮使其归零。
4、打开电源开关，调节平移台使光纤端面渐渐离开平面反射镜，每隔0．1mm
读出数显表值，记录40 组数据。
5、根据记录数据绘制曲线。
6、分析。
7、关闭电源。拆除所有连线和光纤位移装置。
七、实验思考题1、影响测量精度的因素有哪些?如何避免?
2、放大器的稳定放大倍数和低噪声对信号的影响?如何设计?