光纤位移传感器实验.docx

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(或
称为传感型)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：Φ1+ΦO．265×16
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：Φ1
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
tgθ=d2b
由于θ=sin-1N，所以式可以写为
b=d2tg（sin-1N）

很显然，当b<[d／2tg(sin-1N)]时，即接收光纤位于光纤像的光锥之
外。两光纤的耦合为零，无反射进入接收光纤；当b≥[d／2tg(sin_1Ⅳ)]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(sin-1N)。
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
α=1π[cos-11-δα-（1-δα）sin⁡（1-δα）]

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。

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