反射式光纖位移傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

肖怡安

（武漢大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北武漢430072）

1 引 言

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的一種新型傳感器，它具有絕緣、無(wú)電感、可繞曲、抗腐蝕、抗電磁干擾等特性[1－3].因此，光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和非接觸測(cè)量[4－5].本文利用光的反射原理，并結(jié)合光纖傳感器的特點(diǎn)，開(kāi)設(shè)了反射式光纖位移傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn).讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移的測(cè)量及真假鈔的識(shí)別.

2 反射式光纖傳感器測(cè)位移原理

圖1 雙光纖組合探頭測(cè)試原理圖

反射式光纖傳感器可以用雙光纖或二光纖束構(gòu)成Y形光導(dǎo).圖1為雙光纖組合探頭測(cè)試原理圖.發(fā)射光纖輸出光能ε0在反射面反射后，由接收光纖接收，這時(shí)接收光纖所接收的光能等效于發(fā)射光纖虛像發(fā)出的光能.若光纖直徑為2r，數(shù)值孔徑為Φ，探頭雙光纖間距為l，光纖端面到反射面的距離為d，令t＝tanθ＝tan（arcsinΦ），則發(fā)射光纖的虛像光錐體底面積S0＝π（r＋2dt）2.由于接收光纖芯徑很小，可將光錐邊緣與接收光纖芯交界弧線做直線近似處理.通過(guò)計(jì)算，光錐體與接收光纖端面的交疊面積S為

設(shè)反射耦合到接收光纖光能ε與發(fā)射光纖光能ε0的比值為K，即

當(dāng)l≈0時(shí)，傳感器探頭雙光纖緊靠，

因?yàn)殡妷篤o（或光電流）的輸出與光纖芯r、孔徑Φ等量密不可分，所以在光纖芯r、孔徑Φ、反射面光檢測(cè)器已確定情況下，輸出電壓Vo（或光電流）只是位移d的函數(shù)Vo＝f（d）.

采用發(fā)光二極管作為光源，經(jīng)過(guò)穩(wěn)流后的發(fā)光二極管（或白光）入射于發(fā)射光纖，直接照射被測(cè)物的反射面（鍍水銀膜、玻璃鏡面……），反射光由接收光纖把接收光能照射光檢測(cè)器（PIN管或光電三極管）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，由顯示器（數(shù)字電壓表或示波器等）測(cè)出輸出電壓（或光電流）與檢測(cè)位移的關(guān)系.

根據(jù)輸出電壓Vo與位移d的關(guān)系，不斷改變探頭與被測(cè)物反射面距離（由讀數(shù)裝置測(cè)d），由數(shù)字電壓表讀出輸出電壓Vo，輸出電壓Vo與位移d特性曲線如圖2所示.從特性曲線得出：ab線段靈敏度高，而ce線段測(cè)量范圍較寬，根據(jù)需要可選取不同的線性段[6－7].

圖2 Vo－d特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法

3.1 微位移測(cè)量電壓

將分辨力為10－5mm的報(bào)廢邁克耳孫干涉儀改裝成微位移調(diào)節(jié)支架，光纖探頭固定在一端，支架另一端（移動(dòng)端）旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪，實(shí)現(xiàn)微位移定量調(diào)節(jié).測(cè)頭端面是一鏡面，作為反射體的反射面，反射面與接收光纖的軸線垂直，通過(guò)旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪改變反射面相對(duì)接收光纖入射端口的軸向間距，主尺、粗調(diào)手輪和微調(diào)鼓輪的讀數(shù)之和即為反射體的位移值[8].

在傳感器的前沿工作區(qū)取每0.05mm為1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)出對(duì)應(yīng)于位移量d的輸出電壓值Vo，實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示，圖3中的擬合直線為Vo＝194.283 45 d＋9.041 02.傳感器的特性為：量程為0～2mm，靈敏度為195μV／μm，線性度為±0.05%.從實(shí)驗(yàn)中可以看出：光纖探頭與被測(cè)物接觸或零間隙時(shí)，則全部傳輸光量直接被反射到入射光纖.沒(méi)有提供光給接收光纖，輸出電壓信號(hào)為“零”.當(dāng)探頭與被測(cè)物距離增加時(shí)，接收光纖接收的光量增多，此關(guān)系直到接收光纖全部被照明為止，此時(shí)也被稱之為“光峰值”.這一階段就是圖2中ab段，靈敏度高，線性好，動(dòng)態(tài)范圍小，適于微位移的測(cè)量.測(cè)量中要求裝置固定不動(dòng)、光源輸出穩(wěn)定，一經(jīng)標(biāo)定后，實(shí)驗(yàn)裝置不能改變.

圖3 實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線

3.2 用光纖傳感器測(cè)試紙幣凹板印刷的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

在測(cè)量位移d與輸出信號(hào)Vo特性曲線的基礎(chǔ)上，確定線性段，以便決定測(cè)量振動(dòng)探頭的位置.當(dāng)把光纖探頭置于圖2曲線中與反射面距離d1位置時(shí)，可見(jiàn)其波形振幅較大，并隨振動(dòng)振幅變化而變化.若選取探頭與反射面距離d2位置時(shí)，可看見(jiàn)波形振幅較小.如果探頭位置不恰當(dāng)?shù)剡x在圖2曲線中d3和d4位置時(shí)，則可看到振動(dòng)波形失真.利用該特性，用光纖傳感器測(cè)試紙幣凹板印刷的不同振動(dòng)波形.

對(duì)于不同材質(zhì)不同粗細(xì)的光纖與各式各樣的處理電路，其測(cè)試物體表面粗糙度具有不同的計(jì)算參量.因?yàn)槿嗣駧诺陌及嬗∷⑹艿郊垘判屡f程度（磨損）的影響，以工業(yè)鑄件標(biāo)準(zhǔn)去測(cè)試人民幣的粗糙程度，是完全沒(méi)有必要的.金融防偽器具的研制，對(duì)于凹版印刷的測(cè)試目的在于判別是否存在凹版印刷及紙幣凹板印刷的特征，然后根據(jù)輸出信號(hào)進(jìn)行真假判別.

本實(shí)驗(yàn)采用Y型雙單模光纖組成的反射式位移傳感器進(jìn)行測(cè)試[9]，測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖4所示.入射、接收部分光源均采用激光器與光纖頭進(jìn)行耦合.用電流為10mA，工作電壓為5V的穩(wěn)直流電源供電，用LM124低噪聲運(yùn)算放大器作為前級(jí)同相放大，放大倍數(shù)1 000倍，輸出范圍0～3.6V.

實(shí)驗(yàn)對(duì)象是真鈔和沒(méi)有凹版印刷的假鈔.測(cè)試方法是將光纖探頭輕壓在鈔票上的領(lǐng)肩部分，垂直于凹版印刷的條紋方向進(jìn)行滑動(dòng)，并用示波器觀測(cè)放大1 000倍以后的信號(hào)，得到的波形圖如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，凹版印刷的信號(hào)呈現(xiàn)有規(guī)律的波形，而沒(méi)有凹版的假幣信號(hào)則是雜亂無(wú)章的，受到不均勻的紙質(zhì)和油墨吸收而隨機(jī)地上下起伏形成雜亂波形，而在真鈔中由于采用凹版印刷，凸凹分布均勻，形成有規(guī)律的間隔，故波形為有規(guī)律狀.在具體信號(hào)處理中，結(jié)合鈔票相對(duì)于探頭的滑動(dòng)速度，可以判別出紙幣是否存在凹版印刷，從而達(dá)到防偽的功能.

圖4 測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖5 實(shí)驗(yàn)信號(hào)波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）光纖探頭與被測(cè)物接觸或零間隙時(shí)，全部傳輸光量直接被反射到入射光纖，沒(méi)有提供光給接收光纖.當(dāng)探頭與被測(cè)物距離增加時(shí)，接收光纖接收的光量增多，此關(guān)系直到接收光纖全部被照明為止.此時(shí)也被稱之為“光峰值”.這一階段靈敏度高，線性好，動(dòng)態(tài)范圍小，適于要求高靈敏度、高準(zhǔn)確度的測(cè)量.

2）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)所需光纖成本低，測(cè)試工作簡(jiǎn)單易行，且不受紙質(zhì)影響，但對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)要求比較高，必須要保證過(guò)鈔與底板之間距離保持一定，且固定架容易被磨損.

5 結(jié)束語(yǔ)

將光纖傳感器的應(yīng)用引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，能讓學(xué)生從實(shí)踐中了解光纖的傳光特性以及光纖在光纖通信領(lǐng)域以外的應(yīng)用；學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)，分析解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，諸如光源與發(fā)射光纖的耦合、光纖探頭與探測(cè)物相對(duì)位置的確定、接收光纖與探測(cè)器的耦合等問(wèn)題，激發(fā)創(chuàng)新潛能，提高實(shí)踐能力.本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的時(shí)間不長(zhǎng)，內(nèi)容設(shè)計(jì)還比較粗糙，有待今后教學(xué)實(shí)踐中不斷改進(jìn).

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