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：
reflector
RI 0d 2I (z ) =2⋅exp[-22] 3/223/22
σ[1+ζ(z /a 0) tg θc ]σa 0[1+ζ(z /a 0) tg θc ]
其中，I 0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，a 0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，
θc 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。
a.
b.
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。
四、实验步骤
1. 根据图5-3示意安装光纤位移传感器，发射光纤插入实验仪的LED 孔上，接收光纤插入PIN 孔。Y 形光纤耦合器的发射接收探头固定在三维微调架上的反射镜对应的位置处。
LED 绿色
PIN 黑色
a. 发射接收光纤组件
b. 光纤传感实验仪主机
c. 二维调节架
图5-3 反射式光纤传感实验图
2. 调节光纤传感端面，使之与反射镜轻轻接触，记录此时z=0时的输出电压。
3. 增大光纤端面与反射镜之间的距离，每隔0.2mm 记录1个数据，一直到z=1cm为止。 4. 以上步骤完成后，从z=1cm开始，减小光纤端面与反射镜之间的间距，每隔0.2mm 记录一次输出电压值，一直到z=0为止。
五、数据处理
根据测量数据画出实验曲线，计算测量曲线线性区的灵敏度。
六、思考题
1．光纤位移传感器测位移时对被测物体的表面有些什么要求？ 2．本实验所使用的光纤是属于什么类型的光纤？ 3．分析影响光纤位移传感器的输出光强的因素有哪些？
设计性实验：
实验六反射式光纤位移传感器测量液面高度
一、
实验目的
学习使用反射式光纤位移传感器的测量方法，利用光纤位移传感器测量液面高度。
二、 实验原理
液面高度测量技术在工业应用中十分普及，例如石油、化工等企业均会有大量的储罐 容器需要进行液位的测量。由于石油化工的易燃易爆有腐蚀性等原因，电传感器无法应用于这些场合，过去的液位测量多依靠人工完成，但随着光纤技术的发展，光纤位移传感器在液位测量领域中实现广泛的应用。
本实验利用实验五所用的的实验原理，将反射式光纤位移传感器应用于水面的液面高 度测量。
三、 实验仪器
光纤传感实验仪主机，反射式光纤位移传感器组件，光纤夹具和支架，升降台，烧杯。
四、 实验内容
实验时学生自主设计，实验完成后补充。要求：1、根据反射式光纤位移传感器的原理 定标出液面高度测量的曲线；2、根据曲线拟合线性函数，得到传感器的测量灵敏度和测量范围；3、根据定标曲线测量某个未知液面高度，测量方法体现位移传感器的意义。
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：
reflector
RI 0d 2I (z ) =2⋅exp[-22] 3/223/22
σ[1+ζ(z /a 0) tg θc ]σa 0[1+ζ(z /a 0) tg θc ]
其中，I 0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，a 0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，
θc 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。
a.
b.
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。
四、实验步骤
1. 根据图5-3示意安装光纤位移传感器，发射光纤插入实验仪的LED 孔上，接收光纤插入PIN 孔。Y 形光纤耦合器的发射接收探头固定在三维微调架上的反射镜对应的位置处。
LED 绿色
PIN 黑色
a. 发射接收光纤组件
b. 光纤传感实验仪主机
c. 二维调节架
图5-3 反射式光纤传感实验图
2. 调节光纤传感端面，使之与反射镜轻轻接触，记录此时z=0时的输出电压。
3. 增大光纤端面与反射镜之间的距离，每隔0.2mm 记录1个数据，一直到z=1cm为止。 4. 以上步骤完成后，从z=1cm开始，减小光纤端面与反射镜之间的间距，每隔0.2mm 记录一次输出电压值，一直到z=0为止。
五、数据处理
根据测量数据画出实验曲线，计算测量曲线线性区的灵敏度。
六、思考题
1．光纤位移传感器测位移时对被测物体的表面有些什么要求？ 2．本实验所使用的光纤是属于什么类型的光纤？ 3．分析影响光纤位移传感器的输出光强的因素有哪些？
设计性实验：
实验六反射式光纤位移传感器测量液面高度
一、
实验目的
学习使用反射式光纤位移传感器的测量方法，利用光纤位移传感器测量液面高度。
二、 实验原理
液面高度测量技术在工业应用中十分普及，例如石油、化工等企业均会有大量的储罐 容器需要进行液位的测量。由于石油化工的易燃易爆有腐蚀性等原因，电传感器无法应用于这些场合，过去的液位测量多依靠人工完成，但随着光纤技术的发展，光纤位移传感器在液位测量领域中实现广泛的应用。
本实验利用实验五所用的的实验原理，将反射式光纤位移传感器应用于水面的液面高 度测量。
三、 实验仪器
光纤传感实验仪主机，反射式光纤位移传感器组件，光纤夹具和支架，升降台，烧杯。
四、 实验内容
实验时学生自主设计，实验完成后补充。要求：1、根据反射式光纤位移传感器的原理 定标出液面高度测量的曲线；2、根据曲线拟合线性函数，得到传感器的测量灵敏度和测量范围；3、根据定标曲线测量某个未知液面高度，测量方法体现位移传感器的意义。