光纤位移传感器静态和动态实验
【教学目的】
1.了解光纤传输的基本原理。

2.了解反射式光纤传感器的原理、结构、性能。

3.学习用光纤传感器进行相关物理量的测量。

【教学重点】
1.反射式光纤位移传感器的结构与工作原理。

2.反射式光纤传感器的输出特性曲线。

【教学内容】
光纤传感器是以光学技术为基础，将被敏感的状态以光信号形式取出。

光信号不仅人能直接感知，而且，利用半导体二极管诸如光电二极管、雪崩光电二极管、发光二极管之类的小型而简单的元件很容易进行光电、电光转换，所以易与高度发展的电子装置匹配，这是光纤传感器的突出优点。

此外，由于光纤不仅是敏感元件而且也是一种优良的低损耗传输线，因此不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置，从而特别适用于电子传感器等不太适用的地方。

与其它机械量相比，位移是既容易检测又容易获得高精度的检测量，所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移来检测的方法。

例如将压力转换成膜的位移，将加速度转换成重物位移等；而且这种方法结构简单，所以位移传感器是机械量传感器中的基本传感器。

光纤位移传感器有强度型和干涉型两大类，本实验所用传感器为反射式强度型光纤传感器。

反射式强度型光纤传感器具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量（如位移、压力、振动、表面粗糙度等）的测量中获得成功应用。

这种位移传感器在小的测量范围内能进行高速位移测量，它具有非接触、探头小、频响高、线性度好等特点。

一、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，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，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
二、实验仪器
光纤、光电变换器、低频振荡器、电压表、支架、反射板、测微头、测速电机、电压／频率表、双踪示波器。

三、实验内容
１.连接、调节装置。

在仪器支架上安装光纤探头，探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射板平行，距离适中；将光纤传感器光电转换装置与光电变换器相连接，接通电源预热数分钟。

２.作反射式光纤传感器输出特性曲线。

转动测微头，使反射板与光纤探头端面紧密接触，此时光纤变换器输出电压为零。

然后旋动测微器，使反射板离开探头，每隔0.100mm读出一次输出电压Ｕ值，填入数据表，作Ｕ～x曲线，求得线性范围Δx和灵敏度S=ΔＵ／Δx。

3.测量微小振动的振幅与频率
(1) 了解激振线圈在实验仪上所在位置及激振线圈的符号。

(2) 接入低通滤波器和示波器，如图4接线。

4
(3) 将测微头与振动台面脱离，测微头远离振动台。

将光纤探头与振动台反射纸的距离调整在光纤传感器工作点即线性段中点上（利用静态特性实验中得到的特性曲线，选择线性中点的距离为工作点，目测振动台上的反射纸与光纤探头端面之间的相对距离即线性区ΔX 的中点）。

(4) 将低频振荡信号接入振动台的激振线圈上，开启主、副电源，调节低频振荡器的频
(5) 保持低频振荡器输出的Vp-p幅值不变，改变低频振荡器的频率（用示波器观察低频振荡器输出的Vp-p值为一定值，在改变频率的同时如幅值发生变化则调整幅度旋钮使
Vp-p相同），将频率和示波器上所测的峰峰值Vp-p（此时的峰峰值Vp-p是指经低通后的Vp-p
(6) 关闭主、副电源，把所有旋钮复原到原始最小位置。

４.测量电机转速。

(1) 了解电机控制，小电机（小电机端面上贴有两张反射纸）在实验仪上所在的位置，小电机在振动台的左边。

(2) 按图5接线，将差动放大器的增益置最大，F/V表的切换开关置2V，开启主、副电源。

图5
(3) 将光纤探头移至电机上方对准电机上的反光纸，调节光纤传感器的高度，使电压表显示最大。

再用手稍微转动电机，让反光面避开光纤探头。

调节差动放大器的调零，使电压表显示接近零。

(4) 旋动电机控制电位器，使电机运转。

(5) 频率/转速表置频率档、显示频率，置转速档可显示转速，也可用示波器观察F0输出端的转速脉冲信号。

(6) 根据脉冲信号的频率f及电机上反光片的数目p换算出此时的电机转速n=60f/p。

(7) 实验完毕关闭主、副电源，拆除接线，把
四、注意事项
1.电机叶片转动时VO输出电压峰值之差是比较小的，而且要特别注意背景光的影响。

2.光纤探头在电机叶片上方安装后须用手转动叶片确认无碰擦后方可开启电机，否则极易擦伤光纤端面。

【思考题】
1．如何利用光纤传感器位移测试的原理，设计一个光纤传感器压力测试单元？
提示：压力致使物体产生形变
2．能否根据光纤传感器位移测试的原理做一个光纤测温实验装置？
提示：将器件在温度场中感受到的温度变化量转化为光纤探头反射面间距变化。