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光纤位移传感器工作特性研究及设计实验论文

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光纤位移传感器工作特性研究及设计实验 学号：201200182020 姓名：卢姗姗 单位：能源与动力工程学院交通运输专业

摘要：近年来随着光纤技术的发展, 光纤传感器正在逐步地应用于工业过程控制及

其计量检验中尤其是对易燃、易爆的石油化工产品的检测, 光纤传感器更显示出它防燃防爆的优点。本文介绍了一种光纤小位移传感器，主要介绍光纤位移传感器的基本特性及分析光纤位移传感器的工作原理，简述实验内容及结论，最后简述实验——测量一张纸的厚度 关键词：光纤；位移；传感器；测量微小长度量；纸张厚度

1 引言 光纤传感器是近年来发展迅猛的一项新技术。与其他传统类型传感器相比，它具有应用范围广、灵敏度高、对被测介质影响小、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、体积小等优点，被广泛地用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域。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。因此，利用具有独特优势的光纤传感技术的位移测量越来越受到人们的重视。

2 光纤位移传感器 光纤位移传感器可以分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器两类，我们研究的是传光型光纤传感器。 2.1 光纤的基本结构 单根光导纤维的结构如图所示，它由纤芯、包层及保护套组成。纤芯为直径很小的圆柱形透明电解质纤维（某种玻璃或塑料）制成。环绕纤芯的是一层圆柱形套层，称为包层。它由折射率与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成，然后用一层保护套将他们包覆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性能，光线的强度有保护套来维持，使用时将几根或多更光纤沿长度方向封装在一起，称为光缆。

2.2 光纤位移传感器工作原理 如图所示为光纤位移传感器测量原理图。一束多股光纤（光源光纤）将光源发出的光投射到被测物体表面上，另一束多股光纤（接收光纤）用于接收被测物体表面反射回来的光。两股光纤汇合处用有机玻璃固封，称作光纤位移传感器的探头，反射光经接收光纤、光电转换元件转换成电压信号后输出。输出电压的强弱决定于反射光强的大小。当光纤位移传感器探头的端口紧贴反射面时，光纤光源的出光口被挡住，接收光纤接收不到反射光，因此无电压信号输出。随着反射面逐渐远离光纤探头端口，反射面被光纤发出的光照亮的区域越来越大，发射光锥与接收光锥重合的面积越来越大，因而接收光纤端口处被反射光照亮的区域越来越大。传输到光敏元件上的光强逐渐变大，传感器输出的电压信号也随之变大。当反射面移到某一位置时，接收光纤的整个端口被全部照亮，因而输出电压大最大值，称为“光峰点”。此后当反射面继续远离时，

(a)光源光敏元件

接收光束发射光束被测目标探头到被测目标平面距离

B2C

AB1

(b)

光源光敏元件

发射光束

接收光束被测目标尽管接收光纤的整个端口仍然被全部照亮，由于单位面积内反射光的强度在减少，因此随距离的增大，传输到光敏元件上的光强越来越小，传感器输出的电压值也越来越小，输出电压与距离的关系如图所示，光峰点之前的区域称为上升沿，光峰点之后的区段称为下降沿，在上升沿和下降沿，各有一个区域，输出电压与位移呈线性关系。但上升沿斜率比较大，意味着电压对位移的变化比较敏感，灵敏度高，故本实验利用该区段测量微小直线位移。 实际上输出电压的大小不仅与传感器端口到反射面的距离有关，还与光源的发光强度、反射物体表面的反射率、电路增益、光路效率、光电转换效率等因素有关。因此每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，不要互换使用。当上述因素一定待测物体表面的反射率一定时，电压的大小只是位移的函数。 当传感器端口到反射面的距离保持一定时，输出电压与反射面的反光能力有关。比如不同粗糙度的表面、不同光泽度的表面，其表面反射光的能力不同，会得到不同的输出电压，因此，该类型的传感器还可以测量物体表面的粗糙度、光泽度等。

3 关于实验 3.1 实验器材 CSY10型传感器系统实验仪，塞尺，待测工件，导线等。 3.2 实验内容 （1）测定光纤位移传感器的工作特性曲线 观察光纤位移传感器的结构，了解振动台在实验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘）。将工件放到圆台上，其表面用作反光面。光纤传感器探头对准反光面后，固定在支架上。 因为光电转换器已安好，所以可将电压信号直接送入电压/频率表，电压/频率表的切换开关置于2V挡，供电电压置于±2V挡，将光电变换器电路的增益调节到最大（顺时针向转动“增益”按钮），开启电源主副开关。 使光纤传感器探头与反光面良好接触，尽量使电压表的读数为零。若读数过大，应调节探头的取向。此时，传感器端口与反射面的距离ΔX为零。 顺时针方向旋转测微仪，每隔0.250mm读一次电压表的数值，将其填入表一，计算ΔV=Vi+1—Vi

（2）测定仪器的灵敏区、线性区

表一中，有几组ΔV的值比较大，表明该范围内电压对位移的变化敏感 在仪器的灵敏区，每隔0.100mm重复实验内容一中的测量，将数据填入表二，若灵敏区比较小，可减小每步测量间隔，以获得比较多的数据。计算ΔV，找出其中线性好的区域。 （3）测量工件表面高度差 参见图，利用表二线性区里电压与位移的关系，测量工件表面的高度差。 固定探头高度将工件放到圆台上，由塞尺测量工件表面到传感器端口间的距离，调节测微仪，使该距离在上升沿灵敏区的线性范围内。读出电压值V1，保持圆台到传感器端口间的距离不变。 将工件另一侧移至探头下方，工件的高度差会引起电压变化，记录此时的电压值V2。注意V2的值也应在上升沿灵敏区的线性范围内，可算出工件表面的高度差。 关闭电源，把所有的旋钮复原到初始位置。 3.3 注意事项 （1）实验室请保持反射面的清洁和与光纤探头端面的垂直度； （2）工作时光纤端面不宜长时间直接照射强光，以免内部电路受损； （3）注意背景光对实验的影响，避免强光直接照射反光表面造成测量误差； （4）切勿将光纤折成锐角，保护光纤不受损失； （5）每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，请勿互换使用； （6）光纤探头在支架上固定式时，应保持气端口与反光面平行，切不可相 互摩擦，以免使光纤探头端面受损。 3.4 实验结果 表（1） ΔX/mm 0.250 0.500 0.750 1.000 1.250 1.500 1.750 2.000 V/V 0.005 0.036 0.167 0.294 0.410 0.528 0.634 0.720 ΔV/V 0.005 0.031 0.131 0.127 0.116 0.118 0.106 0.086 Δx/mm 2.250 2.500 2.750 3.000 3.250 3.500 3.750 4.000 V/v 0.786 0.829 0.849 0.844 0.820 0.792 0.754 0.712 ΔV/V 0.006 0.043 0.020 -0.00-0.02-0.02-0.03-0.04

Δx/mm4.250 4.500 4.750 5.000 5.250 5.500 5.750 6.000 V/v 0.666 0.622 0.578 0.535 0.497 0.460 0.426 0.397 ΔV/V -0.04-0.04-0.04-0.04-0.03-0.03-0.03-0.02

Δx/mm6.250 6.500 6.750 7.000 7.250 7.500 7.750 8.000 V/v 0.370 0.345 0.323 0.303 0.283 0.265 0.249 0.234 ΔV/V -0.02-0.02-0.02-0.02-0.02-0.01-0.01-0.01

Δx/mm8.250 8.500 8.750 9.000 9.250 9.500 9.750 10.00 V/v 0.220 0.206 0.195 0.186 0.176 0.167 0.158 0.150 ΔV/V -0.01-0.01-0.01-0.00-0.01-0.00-0.00-0.00表（2）

Δ0.750.850.951.051.151.251.351.451.551.65V/v 0.110.160.200.250.290.330.380.420.470.51ΔV/V 0.040.050.040.040.040.040.040.040.040.04

Δ1.751.851.952.052.152.252.352.452.552.65V/v 0.550.590.620.660.680.710.730.750.760.77ΔV/V 0.030.030.030.030.020.020.020.010.010.01 3.5 实验分析 )650.1~950.0(8的八组数据为取Xn VmmVXii943.3 mmXi400.10 VVi890.2 22940.13mmXi 22126.1VVi

22)())(()(iiiiiiXXnVXVXn

k

2)400.10(940.138890.2400.10943.38

k

1443.0Vmmk





2222)()())(()(iiiiiiiiVVnXXnVXVXn

22)890.2(126.18)400.10(940.138890.2400.10943.38



000.1

mmkVVH065.0011 mmkVVH056.0022

mmkVVH070.0033 mmkVVH074.0044

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实验三 实验报告 光纤位移传感器特性实验的数据处理

实验三 实验报告 光纤位移传感器特性实验的数据处理

实验报告：实验三光纤位移传感器特性实验的数据处理1.针对实验一的测量数据，利用Matlab语句（或C语言），计算重复试验数据各校准点的平均值，采用一元线性回归分析方法，找出光纤位移传感器输出电压V（或y）与被测位移x之间的经验公式，即得到拟合的回归直线。

拟合图像：拟合直线方程：y=-5.732667e+01+2.274630e+03x代码如下：clc; clear;x=[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0];data=[146 386 606 825 1060 1287 1505 1726 1933 2130;147 401 648 885 1135 1370 1609 1842 2030 2250;149 380 605 826 1038 1259 1477 1707 1930 2080;149 400 644 874 1123 1357 1599 1827 2020 2220;150 384 605 831 1060 1289 1490 1729 1944 2130;146 408 651 885 1139 1376 1605 1831 2030 2250;149 373 592 831 1052 1289 1496 1730 1939 2120;141 402 644 878 1130 1362 1603 1833 2020 2250;153 389 609 838 1083 1307 1510 1736 1947 2140;143 401 642 889 1137 1370 1606 1840 2030 2250];%测量数据Each_Point_Average_Value=mean(data,1,'native');%每个点的测量数据的算术平均值N=length(Each_Point_Average_Value);%数据个数%数据处理第一题fprintf('\n计算回归方程并作图拟合\n');%以下以xt指代x，yt指代Each_Point_Average_Valuet1=0;%计算xtyt乘积和，最后乘以Nfor i=1:N;t1=t1+Each_Point_Average_Value(i)*x(i);endt1=t1*N;t2=0;%计算xt的和for i=1:N;t2=t2+x(i);endt3=0;%计算yt的和for i=1:N;t3=t3+Each_Point_Average_Value(i);endt4=0;%计算xt的平方和再乘以Nfor i=1:N;t4=t4+x(i)^2;endt4=t4*N;t5=0;%计算xt的总和的平方t5=t2^2;t6=t4/N;t7=t3;t8=t2;t9=t1/N;t10=t4;t11=t5;%计算b的回归值b=(t1-t2*t3)/(t4-t5);%计算b0的回归值b0=(t6*t7-t8*t9)/(t10-t11);%作数据分布图和回归曲线X=x;Y1=Each_Point_Average_Value;fprintf('回归方程：y=%d+%dx\n',b0,b);fprintf('以下作图\n');x_t=[0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0];Y2=b0+b*x_t;plot(X,Y1,'*',x_t,Y2)2.利用Matlab语句（或C语言），对所得到的一元线性回归方程进行方差分析，列出方差分析表；分析表如下所示：代码如下：%数据处理第二题和第三题：对回归方程进行方差分析和显著性检验fprintf('\n对回归方程进行显著性检验\n');Size_data=size(data);%计算data矩阵的规格%Size_data(1)为矩阵行数{m次测量}，Size_data(2)矩阵列数{N个点的测量}%以下分别计算lxx，lxy，lyy%计算lxxlxx=0;t1=0;for i=1:length(x);t1=t1+x(i)^2;endt2=0;for i=1:length(x);t2=t2+x(i);endt2=t2^2;lxx=t1-t2/length(x);%计算lxylxy=0;t1=0;t2=0;t3=0;for i=1:length(x);t1=t1+x(i)*Each_Point_Average_Value(i);endt2=0;for i=1:length(x);t2=t2+x(i);endt3=0;for i=1:length(Each_Point_Average_Value);t3=t3+Each_Point_Average_Value(i);endlxy=t1-(t2*t3)/length(x);%计算lyylyy=0;t1=0;for i=1:length(Each_Point_Average_Value);t1=t1+Each_Point_Average_Value(i)^2;endt2=0;for i=1:length(Each_Point_Average_Value);t2=t2+Each_Point_Average_Value(i);endt2=t2^2;lyy=t1-t2/length(Each_Point_Average_Value);%Size_data(1)为矩阵行数{m次测量}，Size_data(2)矩阵列数{N个点的测量} %计算回归平方和U和对应的自由度Vu及其对应的方差r_UU=0;U=Size_data(1)*(lxy/lxx)*lxy;Vu=1;r_U=U/Vu;%计算失拟平方和QL和对应的自由度Vql及其对应的方差r_QLQL=0;QL=Size_data(1)*lyy-U;Vql=Size_data(2)-2;r_QL=QL/Vql;%计算误差平方和QE和对应的自由度Vqe及其对应的方差r_QEQE=0;QE1=0;for i=1:Size_data(2)%NQE=QE+QE1;for j=1:Size_data(1)%mQE1=(data(j,i)-Each_Point_Average_Value(i))^2;endendQE;Vqe=Size_data(2)*(Size_data(1)-1);r_QE=QE/Vqe;%合成的总的离差平方和S及其对应的自由度VsS=U+QE+QL;Vs=Vu+Vqe+Vql;F_example=6.84;F1_example=2.70;F=(U/Vu)/(QE/Vqe);F1=(QL/Vql)/(QE/Vqe);F2=(U/Vu)/((QL+QE)/(Vql+Vqe));%%%%%%%%%%%%以下开始制作方差分析表%%%%%%%%%%%%%%data_excel=cell(5,6);title={'来源','平方和','自由度','方差','F','显著性'};%列表头excel_A={'回归','失拟','误差','总计'};excel_B=[U;QL;QE;S];%平方和数据excel_C=[Vu;Vql;Vqe;Vs];%自由度数据excel_D=[r_U;r_QL;r_QE];%方差数据excel_E=[F;F1];%F检验数据excel_F=[F_example;F1_example];%显著性参考值excel_G=['-'];%格式调整excel_B=num2cell(excel_B,3);excel_C=num2cell(excel_C,3);excel_D=num2cell(excel_D,3);excel_E=num2cell(excel_E,3);excel_F=num2cell(excel_F,3);excel_G=num2cell(excel_G,3);%整合数据data_excel(1,1:end)=title;data_excel(2:end,1)=excel_A;data_excel(2:end,2)=excel_B;data_excel(2:end,3)=excel_C;data_excel(2:4,4)=excel_D;data_excel(2:3,5)=excel_E;data_excel(2:3,6)=excel_F;data_excel(5,4)=excel_G;data_excel(4:end,5)=excel_G;data_excel(4:end,6)=excel_G;xlswrite('data_excel.xls',data_excel);%写入表格data_excel%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%3.利用Matlab语句（或C语言），对回归方程进行显著性检验，确定回归方程拟合的好坏，分析光纤位移传感器的误差。

光纤传感器论文

光纤传感器论文

光纤传感器毛琪132640（仪器科学与工程学院，东南大学，南京210096）摘要：光纤传感器是现在被广泛应用的一类新型传感器，具有抗电磁干扰、灵敏度高、重量轻、成本低等优良的特点。

本文详细介绍了光纤传感器原理、结构和特性等方面的内容。

同时举例说明了光纤传感器在实际工程应用中的广泛应用。

关键词：光纤传感器；原理；工程应用Fiber optic sensorMao Qi 132640(School of Instrument Science and Engineering, Southeast University,Nanjing 210096)Abstract：Fiber optic sensor is a new type of sensor with excellent features ofanti-electromagnetic interference, high sensitivity, light weight and low-cost ,which is now widely used. The paper detailedly introduces the principles, structures and characteristics of fiber optic sensors. At the same time, some examples are provided to illustrate that fiber optic sensors are extensive used in practical engineering applications.Keywords: fiber optic sensor(FOS); principle; engineering application1.引言传感器技术、通信技术、计算机技术是现代信息技术的三大支柱，传感器作为探测与获取外界信息的重要环节之一而被应用于工业、农业及军事等各个领域。

光纤位移传感器实验报告

光纤位移传感器实验报告

光纤位移传感器实验报告光纤位移传感器实验报告篇一:光纤位移传感器测位移特性实验实验二十六光纤位移传感器测位移特性实验一、实验目的:了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、基本原理:光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。

三、器件与单元:主机箱中的?15V直流稳压电源、电压表;,型光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面(抛光铁圆片)。

四、实验步骤:1、观察光纤结构:二根多模光纤组成Y形位移传感器。

将二根光纤尾部端面(包铁端部)对住自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，在探头端观察面为半圆双D形结构。

2、按图安装、接线。

?安装光纤:安装光纤时，要用手抓捏两根光纤尾部的包铁部分轻轻插入光电座中,绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔，插入时不要过分用力,以免损坏光纤座组件中光电管。

?测微头、被测体安装:调节测微头的微分筒到5mm处(测微头微分筒的0刻度与轴套5mm刻度对准)。

将测微头的安装套插入支架座安装孔内并在测微头的测杆上套上被测体(铁圆片抛光反射面)，移动测微头安装套使被测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。

3、将主机箱电压表的量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关。

调节实验模板上的RW、使主机箱中的电压表显示为0V。

4、逆时针调动测微头的微分筒，每隔0.1mm(微分筒刻度0,10、10,20……)读取电压表显示值线性度最好区域:5、根据表26数据画出实验曲线并找出线性区域较好的范围计算灵敏度和非线性误差。

实验完毕，关闭电源。

实验二十七光电传感器测转速实验一、实验目的:了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

二、基本原理:光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器也称光耦)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示,，即可得到转速,=10f。

实验五反射式光纤位移传感器实验

实验五反射式光纤位移传感器实验

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。