1、大學物理實驗學期論文光纖位移傳感器工作特性研究 學院:信息科學與工程學院班級:電信六班學號:201300121078姓名:李廣鵬摘要:通過介紹關于光纖位移傳感器工作特性研究的實驗,了解光纖位移傳感器的特性。并且以測量紙張的厚度為例,介紹光纖位移傳感器在厚度測量上的應用。關鍵詞:光纖;傳感器;紙張;厚度1.光纖簡介光纖在通信、圖像傳輸等方面的應用為人熟知。其實光纖傳感器在工農業、科研等領域有著更為廣泛的應用。光纖床干起是利用光纖的轉換功能或傳輸功能而研制的傳感器。光纖的傳輸特性對某些外界條件的變化(如壓力、應變、溫度以及電磁場較為敏感。利用光纖的這些敏感反映可研制出相應的傳感器,可用于溫度、應力

2、、應變、粗糙度等七十多種物理量的測量,被譽為“萬能傳感器”,具有其他傳感器不可媲美的諸多優點。單根光導纖維的結構如圖所示,它由纖芯、包層及護套組成,纖芯為直徑很小的圓柱形透明電解質纖維(某種玻璃或塑料制成。環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,用一層護套將它們包覆。光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性能,光纖的強度由護套來維持。 2.實驗目的: (1了解光纖位移傳感器的工作特性。(2學習Excel程序和計算器求斜率和相關系數。(3學習用光纖位移傳感器測量微小長度量。3.實驗儀器:CSY998型傳感器系統實驗儀(右圖,塞尺,待測工件,導線等。4.實驗

3、原理;如圖所示為光纖位移傳感器測量原理圖。一束多股光纖(光源光纖將光源發出的光投射到被測物體表面上,另一束多股光纖(接收光纖用于接受被測物表面反射的光,兩股光纖匯合處用有機玻璃固封,稱作光纖位移傳感器的探頭。反射光經接收光纖、光電轉換元件轉換成電壓信號后輸出。輸出電壓的強弱決定于反射光強的大小。當光纖傳感器探頭的端口緊貼反射面時,光源光纖的出光口被擋住,接收光纖接收不到反射光,因此無電壓信號輸出,隨著反射面逐漸遠離光纖探頭端口,反射面被光纖發出的光照亮的區域A越來越大,發光光錐與接收光錐重合的面積B1越來越大,如圖所示,傳輸到光敏元件上的光強逐漸變大,傳感器輸出的電壓信號也隨之,接受光纖變大。

4、當反射面移到某一位置時,接受光纖的整個端口C被全部照亮,因而輸出電壓達到最大值,稱為“光峰點”。此后當反射面繼續遠離時,盡管接收光纖的整個端口C仍然被全部照亮,由于單位面積內反射光的強度在減小,因而隨著距離的增大,傳輸到光敏元件上的光強越來越小,傳感器輸出的電壓值也就越來越小。輸出電壓與距離的關系如圖所示。光峰點之前的區段稱為上升沿,光峰點之后的區段稱為下降沿。在上升沿和下降沿,各有一個區域,輸出電壓與位移成線性關系。但上升沿斜率比較大,意味著電壓對位移的變化比較敏感,靈敏度高,故可以利用該區段測量微小直線位移。實際上,輸出電壓的大小不僅與傳感器端口到反射面的距離有關,還與光源的發光強度、反射

5、物體表面的反射率、電路增益、光路效率、光電轉換效率等因素有關,當其他因素一定時,電壓的大小只是位移的函數。當傳感器端口到反射面的距離保持一定時,輸出電壓與實驗內 5.容:(1測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構,了解振動臺在實驗儀上的位置(實驗儀臺面上右邊的圓盤。將工件放到圓臺上,其表面用作反光面。光纖傳感器探頭對準反光面后,固定在支架上。2因為光電轉換器已安好,所以可將電壓信號直接送入電壓/頻率表,電壓/頻率表的切換開關置于2V擋,供電電壓置于±2V擋,將光電變換器電路的增益調節到最大(順時針向轉動“增益”按鈕,開啟電源主副開關。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為零。若讀數過大,應調節探頭的取向。此時,傳感器端口與反射面的距離X為零。(4順時針方向旋轉測微儀,每隔0.250mm讀一次電壓表的數值,將其填入表一,計算V=Vi+1Vi(2測定儀器的靈敏區、線性區1表一中,有幾組V的值比較大,表明該范圍內電壓對位移的變化敏感。2在儀器的靈敏區,每隔0.100mm重復實驗內容一中的測量,將數據填入表二,若靈敏區比較小,可減小每步測量間隔,以獲得比較多的數據。計算V,找出其中線性好的區域。(3測量工件表面高度差2固定探頭高度將工件放到圓臺上,由塞尺測量工件表面到傳感器端口間的距離,調節測微儀,使該距離在上升沿靈敏區的線性范圍內。讀出電壓

7、值V1,保持圓臺到傳感器端口間的距離不變。3將工件另一側移至探頭下方,工件的高度差會引起電壓變化,記錄此時的電壓值V2。注意V2的值也應在上升沿靈敏區的線性范圍內,可算出工件表面的高度差。4關閉電源,把所有的旋鈕復原到初始位置。6.實驗結果: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 實驗分析 7.設計性實驗測量一張紙的厚度 使用光纖位移傳感器測量紙的厚度，要注意很多細節問題，因為紙張的厚度 很小， 稍微的誤差就使測量結果與實際結果差別很大。實驗結果的可靠性與反光 表面的反射率有關，當所用試件表面經過較好的處理后，測量會很準確。通過光 纖位移傳感器工作特性研究的實驗， 我們知道傳感器線性區的大小斜率確定了所 用儀器的量程，只有在此量程內進行的測量才是合理的。 首先測量出光纖位移傳感器的相關系數，在敏感區的線性區內，儀器的敏感 度、和線性度都較高，可用于準