如何利用光纤传感器测量直线位移

一、任务目标

本任务中主要学习光纤的分类，认识光纤传感器的外观及结构，掌握光纤传感器的工作原理，掌握光纤传感器测量直线位移的方法。

二、任务分析

练习

（1）光纤通常由________、________、________组成，纤芯的折射率n1 稍________包层的折射率n2，两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。

（2）按纤芯和包层材料性质分类，光纤可分为玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等，按纤芯的折射率分布的不同可以分为________、________和________三种，大容量长距离的系统采用________光纤。

思考

本任务采用反射式光纤测量微小位移，反射式光纤采用Y 形结构，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。请查阅相关资料，并总结反射式光纤位移传感器的特点。

三、任务实施

1.认识光纤传感器及其实验模块

本任务所使用的光纤传感器如图5-68所示，光纤位移传感器实验模块如图5-69所示。除了光纤传感器及其实验模块外，本任务的实施还要用到测微头、金属面、直流电源及直流电压表。

图5-68　光纤传感器

图5-69　光纤位移传感器实验模块

2.光纤传感器检测位移的工作原理

本任务采用反射式光纤传感器测量微小位移，其结构如图5-70所示。反射式光纤传感器采用Y 形结构，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。光从光源耦合到发射光纤，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，转换器接收到的光强与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。

图5-70　反射式光纤传感器的结构

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，相应速度快，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。

3.任务实验步骤

1）安装光纤传感器和测微头。按图5-71（a）所示安装光纤传感器，将Y 形光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准金属反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中。将测微头起始位置调到14 cm 处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，安装实物图如图5-71（b）所示。

图5-71　光纤传感器安装图

（a）安装图；（b）实物图

2）光纤传感器测量直线位移电路接线和调零。将光纤位移传感器实验模块输出“Uo”接到直流电压表，量程选择20 V 挡，光纤位移传感器实验模块从实验台接入±15 V 电源，打开实验台电源，仔细调节电位器RW，使直流电压表读数为零。

3）光纤传感器测量直线位移。旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔0.5 mm 读出一次输出电压值，并记录在表5-11中。

表5-11　光纤位移传感器实验模块的输出电压与位移的关系(www.xing528.com)

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

1）根据表5-11数据绘制输出电压与位移关系曲线（Uo-X 曲线），如图5-72所示。

图5-72　光纤传感器Uo-X 曲线

2）根据实验数据计算实验用光纤传感器的灵敏度和非线性误差。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-12。

表5-12　光纤传感器直线位移测量评分表

四、任务拓展

反射式光纤传感器除了可以测量直线位移外，还可以和振动源、转动源配合使用测量共振频率和转速，下面介绍光纤传感器与转动源配合构成光纤传感器测量直流电动机转速的电路。

1.仪器设备及器材

光纤位移传感器实验模块、Y 形光纤传感器、直流稳压电源、数显直流电压表、频率／转速表、转动源、示波器。

2.工作原理

保留本任务中的光纤传感器，将其安装在转动源上，用于测量直流电动机转速。由于转动源上的转动盘边缘间隔分布空孔和磁钢，当空孔经过光纤传感器下方时，光纤传感器没有接收到反射光线，模块输出电压较低（低电平），当磁钢经过光纤传感器时，光纤传感器接收到磁钢表面反射的光线，模块输出电压较高（高电平），形成一个脉冲信号，转动盘转动一圈，共输出6 个脉冲信号。将脉冲信号送入频率／转速表显示，得到相应的转速。

3.实验步骤

1）安装光纤传感器。如图5-73所示，将光纤传感器安装在转动源传感器支架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头距离反射点1 mm 左右（在光纤传感器的线性区域内）。

2）光纤传感器测量直流电动机转速电路接线与调零。用手拨动一下转盘，使探头避开反射面（避免产生暗电流），接好实验模块±15 V 电源，模块输出Uo 接到直流电压表输入端。调节RW 使直流电压表显示为零。注意：RW 确定后不能改动。将模块输出Uo 接到频率／转速表的“f／n” 输入端。

3）光纤传感器测量直流电动机转速。合上主控台电源，选择不同电源＋4 V、＋6 V、＋8 V、＋10 V、12 V（ ±6 V）、16 V（ ±8 V）、20 V（ ±10 V）、24 V 驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化。用直流电压表检测转动源的驱动电压，并记下相应的频率／转速表读数，记于表5-13中。也可用示波器观测光纤传感器模块输出的波形。

图5-73　光纤传感器安装图

表5-13　不同驱动电压对应的转速频率

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-14。

表5-14　光纤传感器直流电动机转速测量评分表