课程设计
题目光纤传感器实验设计
二级学院光电信息学院
专业应用物理
班级110160101
学生姓名王洋学号11016010124
指导教师陶传义
考核项目设计50分平时成绩20分答辩30分得分
总分考核等级教师签名
光纤位移传感器设计实验
摘要：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。
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。
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。
关键词：光纤传感器
重庆理工大学课程论文作者：王洋
目录
摘要 (I)
前言 (1)
1.设计原理 (1)
1.1光导纤维与光纤传感器的一般原理 (1)
1.2反射式位移传感器的结构原理 (1)
2.实验内容 (3)
2.1实验仪器 (3)
2.2实验步骤 (3)
2.3实验结果 (5)
3.系统误差分析 (6)
3.1误差来源 (6)
3.2提高测量精度的措施 (6)
参考文献 (7)
前言
位移测量是多种物理量（如：振动、压力、应变、加速度、流量等）测量的基础。
通常有机械式测量、电磁测量及激光测量等方法。
机械式测量的精度低，速度慢，不适于在线测量；电磁式测量易受工厂电磁干扰；但是光学测量，不但速度快，而且精度高，且适用于微小的位移测量。
1设计原理
1.光导纤维与光纤传感器的一般原理
光导纤维主要是由二氧化硅构成，它利用光的完全内反射原理传输光波，是一种非常高效的传播介质。
如图1所示，光纤是由折射率高的纤芯和包层组成。
包层的折射率小于纤芯的折射率，光纤的直径为0.1mm~0.2mm。
由于纤芯的折射率比包层高，当光线由光纤端面进入纤芯时，在到达纤芯与包层的交界面时，光线就会完全内反射回纤芯层。
经过不断的完全反射，光线就能沿着纤芯向前传播。
许多外界因素（如压力、温度、电场、磁场、振动等）都可对光纤产生作用，从而引起光波特性参量（如相位、偏振态、振幅等）发生变化。
因此我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。
其结构图如图2所
示，原理如图2.1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。
2实验内容
2.1实验仪器
光纤传感器实验模块（图a）振动源模块（图b）r型光纤头ZY12805B 传感器检测技术综合实验台(图c)
3.2实验步骤
1.观察光纤结构：光纤探头为半圆型结构，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W1也接入到电路中，将第二级可变增益反相放大器的输出端GND
与J2分别与数字电压的负极和正级相连，把数字电压表置20V档，打开传
感器电源开关。
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）。
7.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。
8.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）。
2.3实验结果
1.将实验结果记录在下表1。
2.由实验数据用matlab汇出位移特性图。
3系统误差分析
3.1误差来源
1.光反射面有污渍，光洁度不够高，光纤探头端与光反射面没有保持垂直。
2.旋转测微头时，由于操作不当导致的回程差。
3.电压表示数未稳定就记录示数。
4.环境的光线经过反射面进入接收光纤。
5.测量时，光纤折成锐角，影响光线传播。
3.2提高测量精度的措施
1.选用平整度较高的反射面，避免选用颜色暗淡的反射面，尽量使光纤探头与
光反射面保持垂直。
2.旋转测微头时，不要一次旋转过快，防止超过测量刻度而回旋产生的回程差。
3.待电压表示数稳定后再记录。
4.在实验时，关闭室内的灯光，使实验在较暗环境下进行。
5.保持光纤弯曲角大于90°。
参考文献：
[1]刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用[M].国防科技大学出版社,2004.
[2]刘瑞复,史锦珊主编.光纤传感器及其应用.北京机械出版社,1987.
[3]王慧文,江先进,赵长明等.光纤传感技术与应用[M].北京国防工业出版社,2001.
[4]王秀彦,吴斌,何存富等.光纤传感技术在检测中的应用与展望[J].北京工业大学学报,2004.
[5]李文植.光纤传感器的发展及其应用综述[J].科技创业月刊,2005.
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)
附录
Matlab程序：
x=0:0.1:8;
y=[0,0.02,0.12,0.61,1.35,2.29,3.05,3.65,4.25,4.93,5.37,5.49,5. 62,5.74,5.82,5.82,5.74,5.53,5.32,5.15,4.98,4.81,4.61,4.42,4.2 7,4.11,3.91,3.72,3.56,3.41,3.28,3.16,3.04,2.90,2.78,2.65,2.52, 2.39,2.28,2.20,2.16,2.08,1.97,1.87,1.81,1.75,1.70,1.63,1.55,1. 51,1.48,1.44,1.38,1.35,1.31,1.30,1.26,1.20,1.14,1.12,1.13,1.1 1,1.04,0.98,0.96,0.95,0.93,0.91,0.86,0.84,0.83,0.82,0.80,0.77, 0.76,0.75,0.74,0.72,0.68,0.66,0.65];
plot(x,y);
xlabel('X/mm');
ylabel('V(v)');
title('位移特性图');。