反射式光纤位移传感器实验

光纤位移传感器实验报告
实验报告
光纤位移传感器实验报告
一、实验目的
本次实验旨在掌握光纤位移传感器的原理和应用，通过实验了解其测量精度和稳定性。

二、实验原理
光纤位移传感器是一种基于菲涅尔衍射原理的传感器。

其基本原理是将激光光源照射到一根光纤上，光纤的端面形成一定的折射角，使得光束沿着光纤内部进行传输，当光纤存在位移时，光束经过光纤端面的折射角发生变化，从而产生了光程差。

通过检测光程差的变化，可以测量出位移的大小。

三、实验步骤
1.按照实验要求搭建实验装置，其中包括激光光源、光路系统、待测物体、光功率检测器等。

2.调节激光光源的位置和光路系统的组成，使得激光能够正常
发出。

3.将光纤位移传感器连接到待测物体上，确保其位置不变。

4.调整光纤位移传感器上的折射角，使得检测光束经过光纤后
能够与基准光束相互衍射。

5.通过光功率检测器检测检测光束的功率变化，计算出待测物
体的位移。

四、实验结果与分析
经过实验发现，光纤位移传感器在测量位移时具有较高的精度
和稳定性。

我们通过调整折射角和光纤的长度，可以进一步提高
其测量精度和稳定性。

在实验中我们还发现，光纤位移传感器对外界环境的干扰较小，可以在恶劣的环境下正常工作。

五、实验结论
通过本次实验，我们成功地掌握了光纤位移传感器的原理和应用，实验结果表明，光纤位移传感器具有较高的测量精度和稳定性，在工业生产和科学研究中具有广泛的应用前景。

实验五 反射式光纤位移传感器一、实验目的了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。

二、基本原理反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。

反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。

本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。

两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。

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压信号。

图5-1 反射式光纤位移传感器示意图传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。

首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。

如图5-2中的a 图所示。

接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为：]])/(1[exp[])/(1[)(22/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-⋅+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数，c θ为发射光纤的最大出射角。

此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。

LED PINcouplerreflector图5-2 反射式强度调制光纤传感原理三 、实验仪器光纤传感实验仪主机，Y 型光纤传感器，三维调节架。

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。

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5mm2、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：0．01mm4、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：0．0lmm5、二维调节支架13mm移动距离，分辨率0．01mm5、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。

光纤传感器的位移测量与及数值误差分析实验目录一、实验概述 (2)1.1 实验目的 (2)1.2 实验原理 (3)1.3 实验设备与材料 (4)1.4 实验步骤概述 (4)二、实验环境搭建 (6)2.1 环境要求 (7)2.2 设备安装与调试 (8)2.3 安全操作规范 (9)三、光纤传感器标定实验 (10)3.1 标定装置介绍 (11)3.2 标定方法与步骤 (12)3.3 数据采集与处理 (13)3.4 标定结果分析 (14)四、光纤传感器位移测量实验 (16)4.1 位移测量原理 (17)4.2 试验装置搭建 (18)4.3 数据采集与处理 (19)4.4 位移测量结果分析 (20)五、数值误差分析与处理 (21)5.1 数值误差来源分析 (23)5.2 误差测量方法 (24)5.3 误差处理策略 (25)5.4 误差分析结果展示 (26)六、实验结论与展望 (27)6.1 实验结论总结 (27)6.2 实验不足之处分析 (28)6.3 未来研究方向展望 (30)一、实验概述光纤传感器技术在现代测量领域扮演着重要角色，它利用光的全内反射原理和光时域反射技术实现对位移、应变、温度等物理量的非接触式监测。

本次实验将通过构建一套基于光纤传感器的位移测量系统，并对其进行数值误差分析，以验证其测量精度和可靠性。

实验的主要目的是通过实际操作来深入理解光纤传感器的工作原理，掌握其位移测量方法，并学会如何评估和分析实验过程中可能出现的数值误差。

通过对比理论计算与实验结果的差异，我们可以更好地理解光纤传感器在实际应用中的表现，以及可能影响其测量准确性的因素。

在实验中，我们将首先介绍光纤传感器的基本原理和位移测量方法。

然后，通过搭建实验装置，进行系统的位移测量实验。

我们将对实验数据进行分析，讨论可能的误差来源，并提出改进措施。

整个实验过程旨在培养学生的动手能力和科学思维能力，同时为今后的研究和应用提供实践经验和理论基础。

实验一 LD光源的P-I特性曲线
本实验将所测电流数据作为横坐标，功率作为纵坐标，利用MATLAB编程，得到下图所示的P-I曲线：
实验结果分析：
通过比较在不同步长下的P-I特性曲线，我们发现，步长越小，曲线越趋于直线，即相对精度越高。

同理，步长越大，曲线失真度越严重。

实验二透射式横（纵）向光纤位移传感本实验采用发射光纤不动，接收光纤移动的办法，实现光纤被横向位移和纵向位移调制。

当z固定时，得到的是横向位移传感特性参数，当r取定（r=0）,则得到纵向位移传感特性函数。

下图是光纤芯径-相对光强图和强度调制图：
上图（1），纵坐标为相对光强，横坐标为r/D. D为光纤直径,其值为D=0.5nm
上图（2），纵坐标为相对光强，横坐标为z.
实验三反射式光纤位移传感
本实验是利用光纤传感实验系统构成的反射式光纤位移传感器，对微小位移量进行测量。

下图是反射式调制特性曲线图：
实验结果分析：
本实验由发射光纤发出的光照射到反射材料上，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移。

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。

光纤位移传感器性能测试一、实验目的：1、了解光纤位移传感器的原理结构、性能。

2、了解光纤位移传感器的动态应用。

3、了解光纤位移传感器的测速应用。

二、实验内容：1、光纤传感器的静态实验；2、光纤位移传感器的动态应用实验；3、光纤位移传感器的测速应用实验；（一）光纤传感器的静态实验实验单元及附件：主副电源、差动放大器、F/V表、光纤传感器、振动台。

实验原理：反射式光纤位移传感器的工作原理如下图所示，光纤采用Y型结构，两束多膜光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用，当光发射器发出的红外光，经光源光纤照射至反射面，被反射的光经接收光纤至光电转换器将接受到的光纤转换为电信号。

其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到的位移量如下图8-1所示图8-1实验步骤：（1）观察光纤位移传感器结构，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，探头固定在Z 型安装架上，外表为螺丝的端面为半圆分布的光纤探头。

（2）了解振动台在实验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘，在振动台上贴有反射纸作为光的反射面。

）（3）如图8-2接线：因光/电转换器内部已安装好，所以可将电信号直接经差动放大器放大。

F/V显示表的切换开关置2V档，开启主、副电源。

（4）旋转测微头，使光纤探头与振动台面接触，调节差动放大器增益最大，调节差动放大器零位旋钮使电压表读数尽量为零，旋转测微头使贴有反射纸的被测体慢慢离开探头，观察电压读数由小-大-小的变化。

（5）旋转测微头使F/V电压表指示重新回零；旋转测微头，每隔0.05mm读出电压表的读数，并将其填入下表：△X（mm） 0.05 0.10 0.15 0.20 10.00指示（V）图8-2（二）光纤传感器的动态应用实验实验单元及附件：主、副电源、差动放大器、光纤位移传感器、低通滤波器、振动台、低频振荡器、激振线圈、示波器。

实验步骤：（1）了解激振线圈在实验仪上所在位置及激振线圈的符号。

实验一光纤纤端光场分布的测试随着光纤通信技术的发展，派生出了光纤传感技术，并且取得了快速的发展，光纤传感器已经在民用工程、航空航天和国防等领域得到了广泛的应用。

就外部调制型光纤传感器而言，如反射接收型、直接入射型和光闸型等，一般由入射光源光纤、调制器件以及接收光纤组成。

其中接收光纤所收集到的光强随外界物理扰动而变化，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据，大多与光纤出射的光场相关。

因此，光纤出射光场的场强分布对于这类传感器的分析和设计至关重要，光纤纤端光场的分布是反射式光纤传感实验的基础。

通过纤端光场分布的测量可以给使用者以直观的印象，并且对光纤传光特性有一定的定性和定量的掌握；同时，它的测量涉及到光纤传感器的设计、使用方法等基本问题，具有重要意义。

一、预习重点(1) 光纤无源器件的结构组成与操作；(2) 光纤的传光特性、光纤传输的模式理论。

二、光纤纤端光场径向分布和轴向分布的测试(一) 实验目的1. 了解“光纤传感实验仪”的基本构造和原理，熟悉其各个部件、学习和掌握其正确使用方法；2. 定性了解光纤纤端光场的分布，掌握其测量方法、步骤及计算方法；3. 测量一种光纤的纤端光场分布，绘出纤端光场分布图。

(二) 实验仪器图1 光纤传感实验仪示意图光纤传感实验仪主机(如图1所示)、接收光纤(如图2所示)、发射光纤(如图3所示)、准三维调节架(如图4所示)。

LED －光源输出插座；PIN －光探测器输入插座；AUTO －自动步进键；PRO －编程控制键；UP 、DOWN －配合PRO 设定输出电流上下限；SET －设置键；UL 、DL 、mA 、mV 、μW －仪器显示状态指示灯。

图2 反射接收光纤组件图3 发射接收光纤组件图4 二维调整架(三) 实验原理按照光纤传输的模式理论，在光纤中光功率按模式分布。

叠加后的光纤纤端光场场强沿径向分布可近似由高斯型函数描写，称其为准高斯分布。

另外沿光纤传输的光可以近似看作平面波，此平面波在纤端出射时，可等价为平面波场垂直入射到步透明屏的圆孔表明上，形成圆孔衍射，实际情况接近于两者的某种混合。

一、实验目的1. 理解光纤位移传感器的工作原理和结构。

2. 掌握光纤位移传感器的测量方法及其在位移检测中的应用。

3. 验证光纤位移传感器的准确性和可靠性。

二、实验原理光纤位移传感器是利用光纤的传输特性，通过测量光纤内传输光的变化来检测位移的一种传感器。

反射式光纤位移传感器是其中一种常见类型，其工作原理如下：1. 光源发射的光经光纤探头照射到被测物体表面。

2. 被测物体反射的光经接收光纤传输至光电转换元件。

3. 光电转换元件将光信号转换为电信号输出。

4. 根据电信号的强弱变化，计算被测物体的位移。

三、实验仪器与设备1. 光纤位移传感器2. 激光光源3. 光功率检测器4. 测微头5. 反射面6. 差动放大器7. 电压放大器8. 数显电压表9. 实验台四、实验步骤1. 搭建实验装置：将激光光源、光路系统、待测物体、光功率检测器等连接好。

2. 调节激光光源的位置和光路系统，使激光能够正常发出。

3. 将光纤位移传感器连接到光功率检测器，并调整其位置，使其与待测物体表面保持一定距离。

4. 旋转测微头，使光纤探头与待测物体表面接触，记录初始位移值。

5. 逐渐增加待测物体的位移，记录每个位移值对应的输出光功率。

6. 分析实验数据，绘制位移-光功率曲线，计算位移与光功率之间的关系。

五、实验结果与分析1. 通过实验，验证了光纤位移传感器在位移检测中的应用。

2. 实验结果表明，光纤位移传感器具有以下特点：- 高灵敏度：位移变化对光功率的影响较大，可以精确测量微小位移。

- 高稳定性：光纤传感器受外界环境干扰较小，具有较好的稳定性。

- 抗干扰能力强：光纤传感器对电磁干扰、温度变化等具有较强的抗干扰能力。

3. 实验数据表明，光纤位移传感器的输出光功率与位移之间存在线性关系，可以用于精确测量位移。

六、实验总结1. 通过本次实验，我们了解了光纤位移传感器的工作原理和结构。

2. 掌握了光纤位移传感器的测量方法及其在位移检测中的应用。