项目10光纤位移传感器的安装与调试（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

项目10光纤位移传感器的安装与调试 项目描述 本项目安装与调试一台光纤位移传感器。 近年来由于低损耗光导纤维的问世以及检测用特殊光纤的开发，在光纤应用领域继光纤通信技术之后又出现了一门崭新的光纤传感器工程技术。光纤传感器有功能型和传输型（非功能型）两大类。反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器，它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。 知识和能力目标； 了解光纤的基本结构和传输原理。 掌握反射式光纤位移传感器工作原理。 能正确安装、调试反射式光纤位移传感器。 知识准备 一、光纤传感器的结构和原理 （一）光纤传感器的特点 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。 （二）光纤传感器的结构类型 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型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。非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。 光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为2～12 μm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。 （三）光纤的结构 其结构如图10-1 (b)所示，中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，而光纤的机械强度由保护套维持。 （四）光纤的传输原理 在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。 φ≥φc=arcsin 光纤集光本领的术语叫数值孔径NA，即 NA= sinθc= 其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射光处于2θc的光锥内，光纤才能导光。如入射角过大，如图10-2所示的角θr，经折射后不能满足式（6-10）的要求，光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。 （五）反射式光纤位移传感器结构及其工作原理 反射式光纤位移传感器结构示意图如图10-3(a)所示 由光源发出的光经发射光纤束传输人射到被测目标表面，目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。 其工作原理如图10-3(b)所示。 当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,接收光纤中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大,于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号就达到了位移一输出信号曲线上的“光峰点” 。 图10-3反射式光纤位移传感器示意图 图10-4位移一输出曲线 项目实施 二、光纤位移传感器的安装与调试 通过本项目的实训使大家了解光纤位移传感器的工作原理和性能。 本实训项目需用器件与单元：光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元（主控台电压表）、测微头、±15V直流源、反射面。如图10-5所示. 实训步骤： 1.根据图10-6安装光纤位移传感器，光纤传感器有分叉的两束插入实验板上的光电变换座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T相接。 2.将光纤实验模块输出端Vo1与数显单元（电压档位打在20V）相连，见图10-7。 3.调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。 4.实训模块接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调节Rw1到中间位置，调Rw2使数显表显示为零。 5.旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm（0.2mm）或读出数显表值，将其填入表10-1。 项目拓展 三、光纤传感器的应用 1．光纤加速度传感器 2．液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器 图10-9 球面光纤液位传感器 （2）斜端面光纤液位传感器 （3）单光纤液位传感器 项目小结 通过本项目的学习主要掌握光纤传感器的结