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光纤位移传感器实验

时间:2024.3.24

中国石油大学     传感器        实验报告   成    绩:        

班级:         姓名:          同组者:           教师:    

 

反射式光纤位移传感器

实验目的

1.       了解光纤传输的基本原理

2.       了解反射式光纤传感器的一般原理结构、性能

3.       利用反射式光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系。

实验原理

1.光导纤维与光纤传感器的一般原理

图1 光纤的基本结构

  光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。如图1所示,它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率,直径大致为0.1mm~0.2mm。当光线通过端面透入纤芯,在到达与包层的交界面时,由于光线的完全内反射,光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射,光线就能沿着纤芯向前传播。

  由于外界因素(如温度、压力、电场、磁场、振动等)对光纤的作用,引起光波特性参量(如振幅、相位、偏振态等)发生变化。因此人们只要测出这些参量随外界因素的变化关系,就可以通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化,这就是光纤传感器的基本工作原理。

  2.反射式位移传感器的结构原理

  反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图2所示:光纤采用Y型结构,两束多模光纤,一端合并组成光纤探头,另一端分为两支,分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤,通过光纤传输,射向反射片,再被反射到接收光纤,最后由光电转换器接收,转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后,接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然,当光纤探头紧贴反射片时,接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加,接收到的光强逐渐增加,到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。图3所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线,利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量,具有探头小,响应速度快,测量线性化(在小位移范围内)等优点,可在小位移范围内进行高速位移检测。

图2 反射式位移传感器原理

图3 反射式光纤位移传感器的输出特性

实验装置

SET-QX型光纤位移传感器实验箱。

实验内容

1.         观察光纤结构:光纤探头为半圆型结构,由数百根纤维组成,一半为光源光纤,一半为接收光纤。

2.    装上光纤探头,探头对准反射片。

3.    安装好测微头,将顶部的反射片擦拭干净,测微头旋至10mm左右,前后移动测微头使反射片距光纤位移传感器约3mm,固定好测微头。

4.    如图4,将发光二极管和光敏三极管连接到放大电路相应的位置上,补偿调零电位器也接入到电路中,将第二级可变增益反相放大器的输出端VO与数字电压表相连,数字电压表置20V档,打开传感器电源开关。

图4

5.    旋转测微头使反射片贴紧光纤传感器端面,调节“增益”电位器适中,调节补偿调零电位器使数字电压表指示为零(粗调)。

6.    减小数字电压表量程(2V/200mV),调节补偿调零电位器,进一步使数字电压表指示为零(细调),结果是X=0,V=0。

7.    旋转千分尺,使光纤探头端面紧贴反射面,此时输出电压最小(一般为零)。

8.    电压表打到20v档,旋转千分尺,使反射面离开探头,每隔0.1mm读取一电压值,填入表1。

9.    据表1数据,做出光纤位移传感器的位移特性图(X-V坐标图),计算灵敏度S=△V/△X及线性范围。

【数据记录及处理】

表1:

 光纤位移传感器的位移特性图,如下:

光纤位移传感器在小位移范围内测量线性化,即在本次试验中,位移0-2.2mm时较好的满足线性化,做出拟合直线,如下:

灵敏度计算:

线性范围:位移满足在0-2.2mm之间

【思考题】

1.  光纤位移传感器测量位移时,对被测体表面有什么要求?

被测体表面能够较好的反射从光纤里发射出来的光,要保持被测体表面的清洁度,同时需要保持和光纤探头端面的平行度,这样可以增加光的反射效率,必要时可在被测体表面安装反射片。同时被测体的运动方向也比较单一,不要出现摆动。

2.  利用本实验所用光纤传感器能否设计出转速测量仪?

能,在被测转速物体侧面某一位置安装反射片,将反射片对准光纤发射端口,此时有电压输出,使物体开始转动,每完成一个转动周期(即一圈)便会有一次电压输出指示,令物体转动固定的转动周期,记录经历的时间,圈数除以时间得到转速,多次测量计算平均值,便可测得转速。

【实验总结】

温度对该实验的影响较大,当反射片离开光纤端口面5mm时,电压降低幅度仍然较小,当反射片离开光纤端口面10mm时,电压仍未降到理想值,如果改变周围温度,使温度升高为35度,在反射片离开光纤端口面6mm处时,电压降到较低值,几乎为零。在小位移范围内,反射式光纤位移传感器测量满足线性化,能够进行精准的测量。

原始数据表格

SAM_0685.JPG

SAM_0686.JPG


第二篇:实验六 光纤位移传感器原理


实验六   光纤位移传感器原理

一:实验原理:

  本实验仪中所用的为传光型光纤传感器,光纤在传感器中起到光的传输作用,因此是属于非功能性的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用,其工作原理如图(22)所示。

光纤传感器工作特性曲线如图(23)所示。一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。

二:实验所需部件:

  光纤、光电变换器、放大稳幅电路、红外发射及检测电路(光纤变换电路内)、反射物(电机叶面)、电压表.

三:实验步骤:

1.       观察光纤结构:一支发射、另一支为接收的多模光纤为半圆形结构,光纤质量的优劣可通过对光照射观察光通量得出结论。

2.       光电传感器内发射光源是近红外光,接收近红外信号后经稳幅及放大。判断光电变换器中两个安装孔位置具体为发射还是接收可采用如以下办法:

将光纤变换器电压输出端接电压表输入端,光电变换块四芯航空插头接入光纤变换器四芯插座,将双支光纤的其中一根插入光电变换块中的一孔,观察电压表输出情况。将接通电源的红外发光管靠近光纤探头,如VO端有电压输出则此孔为接收放大端,如单独插入另一孔,光纤探头靠近接通电源的红外光敏三极管,探测电路动作则说明此孔为红外光源发射。

3.       将两根光纤均装入光电变换块,装入时注意不要过分用力,以免影响到变换块中光电管的位置。分别将光纤探头置于全暗无反射和对准较强光源的照射,光纤变换器输出电压应分别为零和最大值。

四:注意事项:

    光纤三端面均经过精密光学抛光,其端面的光洁度直接会影响光源损耗的大小,需仔细保护。禁止使用硬物、尖锐物体碰触,遇脏可用镜头纸擦拭。如非必要,最好不要自行拆卸,观察光纤结构一定要在实验老师的指导下进行。

光纤传感器--------位移测试

一:实验所需部件:

  光纤、光电变换块、光纤变换电路、电压表、反射片(电机叶片)、位移平台

二:实验步骤:

1.       将光纤、光电变换块与光纤变换电路相连接,注意同一实验室如有多台光电传感器实验仪,由于光电变换块中的光电元件特性存在不一致,则光纤变换电路中的发射\接收放大电路的参数也不一致,故请做实验之前将光纤\光电变换块和实验仪对应编号,不要混用,以免影响正常实验。

2.       光纤探头安装于位移平台的支架上用紧定螺丝固定,电机叶片对准光纤探头,注意保持两端面的平行。

3.       尽量降低室内光照,移动位移平台使光纤探头紧贴反射面,此时变换电路输出电压Vo应约等于零。

4.       旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤端面离开反射叶片,每旋转一圈(0.5毫米)记录Vo值,并将记录结果填入表格,作出距离X与电压值mv的关系曲线。

5.       从测试结果可以看出,光纤位移传感器工作特性曲线如图(23)所示分为前坡Ⅰ和后坡Ⅱ。 前坡Ⅰ范围较小,线性较好。后坡工作范围大但线性较差。因此平时用光纤位移传感器测试位移时一般采用前坡特性范围。根据实验结果试找出本实验仪的最佳工作点。(光纤端面距被测目标的距离)

光纤传感器---转速与振动测试

一:实验所需部件:

  光纤、光电变换块、光纤变换电路、测速电机、电压/频率表、示波器

二:实验步骤:

1.       光纤变换电路中Fo端输出为整形电路输出,它可以将光纤探头所测到脉动信号整形为标准的5VTTL电平输出,以供仪器中的数据采集卡计数之用。根据实验十二的结果,将光纤探头安装与距电机反射叶片最佳工作点处。

2.       开启转速电机,调节转速,用示波器观察Vo端输出电压波形和经过整形的Fo端输出方波的波形,如Fo端无输出则可能是Vo端输出电压过高,可适当降低放大增益,直至FO端有方波输出为止。

3.       用示波器或频率计读出电机的转速。

4.       示波器探头接于光电变换器VO端,放大器增益置最大,根据实验十二结果,探头安装在距反射叶片的最佳工作点处。开启电源与旋转电机,调节示波器,以能稳定地观察输出波形为好。读出相邻输出波形峰值之差,根据位移测试标定结果,判断旋转电机叶片的抖动情况,得出电机转动是否平稳的结论。

三:注意事项:

测试电机叶片时输出电压峰值之差是比较小的,所以要特别注意背景光的影响。

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