光纤传感器的位移测量与及数值误差分析实验

黑龙江科技学院 综合性、设计性实验报告实验项目名称：光纤传感器位移特性实验所属课程名称：传感器工程实践实验日期：2013年月日班级学号姓名成绩电气与控制工程学院实验室实验概述：【实验目的及要求】【实验目的】1、通过实验使学生掌握各种传感器的工作原理；2、掌握传感器的特性测试方法；3、掌握传感器的特性实验数据处理方法；4、培养和提高学生传感器特性测试系统设计和分析的能力；5、通过该课程的学习扩大学生知识面，为今后的研究和技术工作打下坚实的基础。

【设计要求】1、掌握传感器的工作原理、测量电路的原理；2、通过传感器特性系统的设计，多方面知识综合应用，全面提高能力；3、为今后从事传感器工程方面的工作打下基础。

【实验原理】1、传感器特性测试系统框图：2、传感器测量电路原理图：3、传感器特性测试系统的工作原理本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤组成半圆分布的Y型传感探头，一束光纤端部与光源相接用来传递发射光，另一束端部与光电转换器相接用来传递接收光，两光纤束混合后的端部是工作端亦即探头，当它与被测体相距Ｘ时，由光源发出的光通过一束光纤射出后，经被测体反射由另一束光纤接收，通过光电转换器转换成电压，该电压的大小与间距Ｘ有关，因此光纤传感器可用于测量位移。

【实验环境】（使用的软件）工具：直线位移执行器、光纤传感器、光纤传感器测量系统、数字电压表、测微头软件：特性软件SET2003实验内容：【实验方案设计】设计要点：光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。

这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。

在光纤传感器特性测试实验中应注意以下几点：1）光纤位移传感器具有前坡（0→最大），后坡（最大→最小）的原始输出特性。

2）外界光对测量具有一定影响，操作时应避免人员走动产生的光干扰。

光纤传感器的位移测量与及数值误差分析实验一、实验原理1.光纤传感器工作原理2.实验仪器和材料（1）光纤传感器：包括光源、探头和电子控制单元。

（2）被测物体：选择一个具有一定位移范围的物体，如斜坡或弹簧。

（3）信号处理器：用于采集和处理光纤传感器的输出信号。

3.实验步骤（1）将光纤传感器的探头安装在被测物体上，并将光源和电子控制单元连接好。

（2）调整光纤传感器的位置和方向，使其能够正确地检测到被测物体的位移。

（3）通过信号处理器采集光纤传感器的输出信号，并进行相应的数据处理。

（4）对被测物体进行一系列的位移变化，记录光纤传感器的输出信号，并计算位移值。

（5）分析和比较测量结果，评估光纤传感器的测量精度和可靠性。

二、数值误差分析1.线性度误差线性度误差是指光纤传感器在测量范围内的输出与被测物体实际位移之间的偏差。

通过在不同位移范围内进行测量，可以绘制出光纤传感器的输入输出曲线，并通过拟合得到线性度误差。

2.灵敏度误差灵敏度误差是指光纤传感器输出信号的增益与被测物体位移之间的偏差。

通过改变被测物体的位移步长，可以测量得到不同位移值下的输出信号，并计算灵敏度误差。

3.常数误差常数误差是指光纤传感器输出信号在零位移点上的固有偏移。

可以通过将被测物体置于零位移点附近，记录测量结果，并计算常数误差。

4.稳定性误差稳定性误差是指光纤传感器在长时间测量过程中输出信号的波动。

通过对输出信号进行连续测量，并统计其标准差，可以评估光纤传感器的稳定性。

5.总误差估计将上述各项误差进行合并，可以得到光纤传感器的总体误差估计。

同时，也可以根据具体的应用需求，确定误差允许范围，评估光纤传感器的适用性。

通过以上实验步骤和数值误差分析，可以深入了解光纤传感器的位移测量原理，并评估其测量精度和可靠性。

同时，针对实验结果中的误差，可以进一步优化光纤传感器的设计和应用。

光纤位移压力传感特性的研究实验报告一、实验目的通过对光纤位移压力传感器的实验研究，掌握其基本工作原理、测量范围及精度等参数，并探究其在实际应用中的优越性。

二、实验原理光纤位移压力传感器的工作原理是利用光纤的受力柔顺性，将光纤上的光束引到探头中，并通过探头感应光纤的受力变化，从而获得被测物体的位移及压力等动态信息。

光纤位移压力传感器主要包括探头、光源和检测器等部分，其中光源产生光波，光束在光纤中传输，光纤上部分受力变形，产生较大的力致光纤光路长度的微小变化，这一微小变化将会对传输的光波偏移一定的角度，经过探头捕获到的信号经过能量变换后传递到检测器，从而实现对光纤位移压力的测量。

三、实验器材光纤位移压力传感器、电源、光源、光电检测器、滑块导轨等。

四、实验流程1.按照实验器材使用说明书将光纤位移压力传感器安装在滑块导轨上；2.将电源连接至光源和光电检测器；3.调整光源和光电检测器的位置，使得光束能够形成一个封闭的光路；4.测量光纤位移压力传感器的初始状态；5.将较大的物体作用在光纤位移压力传感器上，测量其变形后的状态；6.根据读数计算出物体的位移及压力等数据，并进行分析。

五、实验结果本次实验的光纤位移压力传感器的测量范围为0至1000牛，精度可达0.1%。

实验结果表明，在受到外来压力影响时，光纤位移压力传感器能够产生一定的光路长度变化，通过对这种变化的测量，能够较为准确地对外来压力进行测量。

此外，在位移测量方面，本次实验中的光纤位移压力传感器也表现出了较为优越的性能，能够实现对微小变形的高精度测量。

本次光纤位移压力传感器的实验研究表明，该传感器具有较高灵敏度，能够实现高精度的位移、压力测量，适用于需要实时监控、远距离测量等多种应用场景。

通过对其功耗、精度等方面的分析，进一步优化传感器的性能，可以提升其在实际应用中的可靠性和适用性。

实验报告：实验07（光纤传感器的位移测量及数值误差分析实验）实验一：光纤传感器位移特性实验一、实验目的：了解光纤位移传感器的工作原理和性能，测量其静态特性实验数据。

学会对实验测量数据进行误差分析。

二、基本原理：本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y 型光纤，半园分布即双D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。

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，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X 有关，因此可用于测量位移。

三、器件与单元：主机箱、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面。

四、实验数据：实验数据记录如下所示：表1光纤位移传感器输出电压与位移数据实验二：随机误差的概率分布与数据处理1.利用Matlab语句（或C语言），计算算术平均值和标准差（用贝塞尔公式）clc; clear;l=[20.42 20.43 20.40 20.43 20.42 20.43 20.39 20.30 20.40 20.43 20.42 20.41 20.39 20.39 20.40];%例2-22数据v0=l-mean(l)%残差列M1=mean(l)%算术平均值M2=std(l)%标准差计算结果数据分布2.利用Matlab语句（或C语言），用残余误差校核法判断测量列是否存在线性和周期性系统误差%残余误差校核法校核线性系统误差N=length(l)%原数组长度if(mod(N,2))%求数组半长K=(N+1)/2elseK=(N)/2endA1=0;delta=0;%delta=A1-A2for i=1:K;%计算前半部分残差和A1=A1+v0(i);endA2=0;for j=K+1:N;%计算后半部分残差和A2=A2+v0(j);endA1;A2;fprintf('Delta校核结果\n');delta=A1-A2%校核结果%阿贝-赫梅特准则校核周期性系统误差u=0for i=1:N-1;u=u+v0(i)*v0(i+1);endu=abs(u)if((u-sqrt(N-1)*M30)>0)fprintf('存在周期性系统误差\n');elsefprintf('未发现周期性系统误差\n');end运行结果可见delta近似于0，由马利克夫准则可知，此案例中应用的残余误差校核法无法确定是否存在系统误差。

光纤位移传感器实验报告光纤位移传感器实验报告引言光纤位移传感器是一种基于光纤传输原理的高精度测量设备，广泛应用于机械、航空航天、电子等领域。

本实验旨在通过搭建光纤位移传感器实验装置，探究其原理和性能，并对其进行实际应用测试。

一、实验装置搭建实验装置主要由光源、光纤传输线、光纤接收器和信号处理器组成。

首先，将光源连接到光纤传输线的一端，然后将另一端连接到光纤接收器。

在实验过程中，需要保证光纤传输线的稳定性和光源的亮度。

信号处理器用于接收光纤传输线传输过来的信号，并将其转化为位移数值。

二、原理分析光纤位移传感器的工作原理基于光的传输特性。

光纤传感器通过测量光纤中的光信号的强度变化来确定位移的大小。

当物体发生位移时，光纤中的光信号会受到干扰，从而导致光强度的变化。

通过测量光强度的变化，可以计算出位移的数值。

三、性能测试1. 精度测试为了测试光纤位移传感器的精度，我们将其与一个标准测量仪器进行对比。

首先，我们将标准测量仪器测量得到的位移数值作为参考值，然后使用光纤位移传感器进行测量。

通过对比两者的测量结果，可以评估光纤位移传感器的精度。

2. 灵敏度测试光纤位移传感器的灵敏度是指其对位移变化的响应能力。

我们可以通过改变物体的位移大小，然后观察光纤位移传感器的输出值来测试其灵敏度。

在实验中，我们可以逐渐增加物体的位移，然后记录下光纤位移传感器的输出值。

通过分析数据，可以得出光纤位移传感器的灵敏度。

3. 稳定性测试光纤位移传感器的稳定性是指其在长时间使用过程中的性能表现。

为了测试稳定性，我们可以将光纤位移传感器连接到一个振动平台上，然后进行长时间的振动测试。

通过观察光纤位移传感器的输出值，可以评估其在振动环境下的稳定性。

四、实际应用光纤位移传感器在实际应用中具有广泛的用途。

例如，在机械领域，光纤位移传感器可以用于测量机械零件的位移，以确保其工作正常。

在航空航天领域，光纤位移传感器可以用于测量飞机结构的变形，以确保飞机的安全性。

反射式光纤位移传感器测距原理实验一.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。

二.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仪器：SET-QX型光纤位移传感器实验箱。

实验五光纤传感器位移测量一、目的1 ．熟悉反射式强度外调制光纤位移传感器的工作原理。

2 ．掌握光纤位移传感器测量位移的方法。

二、实验设备光纤(光电转换器〉、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片三、实验原理1 ．光纤导光的基本原理。

光是一种电磁波，一般采用波动理论来分析导光的基本原理。

然而根据光学理论：当所研究对象的几何尺寸（指光纤的芯径）远大于所用光波的波长，而光波又处在折射率变化缓慢的空间时可用“光线”即几何光学这一直观又容易理解的方法来分析光波的传播现象。

根据折射定律：光由光密媒质n0 射向光疏媒质n1时，折射角大于入射角，当入射角增至某一临界角ϕc时，出射光线沿两媒质的分界面传播，当入射角继续增大，ϕ0 >ϕc时，入射光线将不能穿过分界面而被完全反射回光密媒质中，这就是全反射。

光纤是由折射率较高（光密介质）的纤芯和折射率较低（光疏介质）的包层构成的双层同心圆柱结构。

能在光纤中传输的光线是满足全反射条件的子午光线（过光纤的轴心线，传播路径始终在一个平面内。

）和斜光线（不经过光纤轴心，不在一个平面内，它是一空间曲线）这两种光线称为受导光线。

在此只简要说明子午光线入射光纤的情况。

当光线与光纤光轴成θ角入射时，在纤芯内部将以ϕ0入射到纤芯的侧壁。

由于ϕ0>ϕc和n0> n1 ，则光在侧壁上产生连续向前的全反射，光在纤芯内成“之”字形传导，直至由终端射出。

如果入射角θ过大致使ϕ0角不能满足全反射的临界要求，即ϕ0< ϕc，光线会穿过纤芯的侧壁而逸出，产生漏光。

因此，最大入射角θ不能超过下式所要求的值式中，n为光纤所在环境的折射率（若为空气，则n=1），n sin 定义为数值孔径，记作NA，它是衡量光纤集光性能的主要参数。

它表示，无论光源发射功率多大，只有2θ张角内的光才能被光纤接收、传播（全反射），NA愈大，光纤的集光能力愈强。

2．光纤中光波的调制和相关的反射机制。

光纤传感器在位移测量中的应用一、实验目的：了解光纤传感器在位移测量中的应用。

二、实验内容：光纤传感器是利用光纤对光的传播作用，即由光纤信息传输回路与光检测元件组成测量系统的CSY系列传感器系统综合实验仪，该仪器光纤采用Y型结构，如图4所示。

图4 光纤位移传感器工作原理图5 光纤位移传感器X-V关系曲线通过光源光纤的传输，光射到被测物体时，由于入射光的散射作用被反射体反射进入接收光纤的光强减弱了，输出的光强与反射体(即被测物体)与光纤探头的距离ΔX有关，光电转换器将接收到的光能转换为电压信号在一定范围内，其输出电压与位移是线性关系，曲线如图5所示（ΔX<2时）。

这种传感器已被用于非接触式微小位移量和表面粗糙度测量等方面。

三、实验要求：1．光纤传感器接线要牢靠。

2．光纤勿折成锐角曲折。

3．光纤不可互换，光纤传感器与综合试验仪相互对号配合使用。

四、实验装置：同实验一。

五、实验步骤：1．取下原来安装在传感器支架上的电涡流激励线圈，在该支架上装好光纤探头，探头对准镀铬反射片(即电涡流传感器试验中使用过的圆形金属片)。

2．建立振动台与测微头的磁性联结，光电变换器Vo与电压表IN相接，开启电源。

转动测微头，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小(由于仪器精度问题不一定为零)。

然后旋动测微头，使光纤探头向离开反射镜面的方向移动，每移动0.25mm读取光电变换器的输出Vo电压值填入表内。

六、实验数据及处理：1．使用实验仪实时采集实验数据并绘制光纤位移传感器的X-V关系曲线2．分析光纤位移测量系统的X—V曲线，选择该曲线的适宜区域作为位移检测的工作曲线，并计算出本光纤位移测量系统的灵敏度解：在区间（0，1）内线性度较好，适合作为位移检测工作曲线在区间（0，1）内，灵敏度S=0.630V/mmV=0.63X+2.2873．给出本光纤位移测量系统的推荐量程解：因为曲线在区间（0，1）内线性度较好，且灵敏度高所以推荐量成为（0，1）单位：mm七、思考题：该位移测量系统中使用的光纤传感器属于功能型光纤传感器吗？为什么？答：不是，因为功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。

位移测量实验报告专业班级姓名实验仪器编号实验日期一、实验目的掌握常用的位移传感器的测量原理、特点及使用，并进行静态标定。

二、实验仪器CSY10B型传感器系统实验仪。

三、实验内容（一）电涡流传感器测位移实验·1、测量原理扁平线圈中通以交变电流，与其平行的金属片中产生电涡流。

电涡流的大小影响线圈的阻抗Z。

Z = f（ρ，μ，ω，x）。

不同的金属材料有不同的ρ、μ，线圈接入相应的电路中，用铁、铝两种不同的金属材料片分别标定出测量电路的输出电压U与距离x的关系曲线。

2、测试系统组建电涡流线圈、电涡流变换器（包括振荡器、测量电路及低通滤波输出电路）、测微头、电压表、金属片。

3、试验步骤4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，确定量程，非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。

（二）光纤传感器测位移实验1、测量原理反射式光纤传感器属于结构型, 工作原理如图。

反射式位移传感器原理当发光二极管发射红外光线经光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电元件。

经光电元件转换为电信号。

经相应的测量电路测出照射至光电元件的光强的变化。

2、组建测试系统光纤、光电元件、发光二级管、光电变换测量电路、数字电压表、反射体(片)、测微头。

3、实验步骤4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，确定量程，非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。

（三）电容式传感器测位移实验1、测量原理电容式传感器是将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。

本实验采用的电容式传感器为二组固定极片与一组动极片组成二个差动变化的变面积型平行极板电容式传感器。

电容式位移传感器测量系统方框图：2、组建测试系统需用器件与单元：机头中的振动台、测微头、电容传感器；显示面板中的电压表；调理电路面板传感器输出单元中的电容；调理电路单元中的电容变换器（包括了振荡电路、测量电路和低通滤波电路在内）、差动放大器。

3、实验步骤1）、接线。

调节测微头的微分筒使测微头的测杆端部与振动台吸合，再逆时针调节测微头的微分筒（振动台带动电容传感器的动片阻上升），直到电容传感器的动片组与静片组上沿基本平齐为止（测微头的读数大约为20mm左右）作为位移的起始点。

实验五光纤传感器位移特性及测速实验一、实验目的了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。

了解光纤位移传感器用于测转速的方法。

二、实验仪器Y 型光纤传感器、测微头、反射面、差动放大器、电压放大器、数显电压表、频率/转速表、转动源、示波器、直流稳压电源。

三、实验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5-1 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, 射向反射面, 再被反射到接收光纤, 最后由光电转换器接收, 转换器接收到的光源与反射体表面的性质及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面时, 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。

图5-1 反射式光纤位移传感器原理图5-2 光纤位移传感器安装示意图在测速时, 需利用光纤位移传感器探头对旋转被测物反射光的明显变化产生电脉冲, 经电路处理即可测量转速。

四、实验内容与步骤（1）光纤传感器位移特性实验1. 光纤传感器的安装如图5-2 所示, 将Y 型光纤结合处安装在传感器固定支架上, 光纤分叉两端插入“光纤插座”中。

探头对准镀铬反射板（铁质材料圆盘）, 固定在测微头上。

按图5-3接线, 电压放大器的输出接直流电压表。

2．将测微头起始位置调到10cm处, 手动使反射面与光纤探头端面紧密接触, 固定测微头。

3. 将“差动变压器”与“电压放大器”的增益调节旋钮调到中间位置。

打开直流电源开关。

4．将“电压放大器”输出端接到直流电压表（20V档）, 仔细调节调零电位器使电压表显示为零。