光電檢測實驗報告

1、實驗三十 光纖位移傳感器（半圓分部）的特性實驗一、實驗目的：了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。二、基本原理：本實驗采用的是導光型多模光纖，它由兩束光纖組成半圓分布的Y型傳感探頭，一束光纖端部與光源相接用來傳遞發(fā)射光，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接用來傳遞接收光，兩光纖束混合后的端部是工作端亦即探頭，當它與被測體相距時由光源發(fā)出的光通過一束光纖射出后，經(jīng)被測體反射由另一束光纖接收，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓的大小與間距有關(guān)，因此可用于測量位移。三、需用器件與單元：光纖傳感器、光纖傳感器實驗模板、數(shù)顯單元、測微頭、直流電源±15V、鐵測片。四、實驗步驟：1、根據(jù)圖9-1安裝光纖位移傳

2、感器，二束光纖分別插入實驗板上光電變換座內(nèi)，其內(nèi)部裝有發(fā)光管及光電轉(zhuǎn)換管T。2、將光纖實驗模板輸出端V0與數(shù)顯單元相連，見圖9-2。3、在測微頭頂端裝上鐵質(zhì)圓片，作為反射面，調(diào)節(jié)測微頭使探頭與反射面輕微接觸,數(shù)顯表置20V檔。4、實驗模板接入±15V電源，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)RW2使數(shù)顯表顯示為零。5、旋轉(zhuǎn)測微頭,使被測體離開探頭,每隔0.1mm讀出數(shù)顯表顯示值,將其填入9-1。 注：電壓變化范圍從0最大最小必須記錄完整。 表9-1：光纖位移傳感器輸出電壓與位移數(shù)據(jù)如下表所示：通過上述的表格可以找出在X=6.5或者6.6mm時輸出電壓才達到最大值為6.78或者6.79V，但當繼續(xù)

3、尋找最小值的時候并沒有找到，輸出電壓隨著位移的增大逐漸的減小，但是減小的幅度會漸漸的趨于平衡，在達到測微頭最大量程時還在繼續(xù)的減小，因此并沒有找到最小的記錄。并認為X=4mm時為最小的0。6、根據(jù)表9-1數(shù)據(jù)，作出光纖位移傳感器的位移特性圖，并加以分析、計算出前坡和后坡的靈敏度及兩坡段的非線性誤差。答：利用excel對數(shù)據(jù)進行分析得光纖位移傳感器的位移特性圖如下所示：通過光纖位移傳感器的位移特性圖可知：其圖形被分為前坡和后坡兩部分，在前坡輸出電壓隨著位移的增大而增大并且達到最大值，并且前坡的增大的幅度比較大，在后坡輸出電壓隨著位移的增大不再增大而是相應的減小，減小的幅度較小，并逐漸的趨于穩(wěn)定。

4、通過圖形可以看出前坡的范圍窄，靈敏度高，線性好，適用于測小位移和表面粗糙度。后坡的減弱與探頭和被測表面之間的距離平方成反比。將在最大值之前的值作為前坡的數(shù)據(jù)單獨拿出來做處理同時去掉最前和最后的值，同樣用excel的畫圖進行斜線的擬合得到如下的擬合直線，并顯示擬合的直線表達式：前坡部分的位移特性圖如下所示：通過擬合出來的直線為y=3.1022x-12.934。計算前坡的靈敏度S：S=V/X(V為輸出電壓平均變化量；X位移平均變化量)，其靈敏度約為擬合直線的斜率：即S=3.1022(v/mm)。計算前坡的非線性誤差：f1=Vmax/yF·S×100%，式中Vmax為輸出電壓值與

5、擬合直線的最大電壓偏差量：yF·S為滿量程時電壓輸出平均值。通過上表可以知道Vmax=0.32146v，yF·S=6.79v，則前=Vmax/yF·S×100%=0.32146/6.79×100%=4.7%。將在最大值之后的數(shù)據(jù)作為后坡的數(shù)據(jù)單獨拿出來做處理，擬合得到如下的曲線，并顯示擬合的曲線表達式，后坡部分的位移特性圖如下所示：通過擬合出來的曲線為y= 444.488/(x2)2.63316。計算后坡的靈敏度S：S=V/X(V為輸出電壓平均變化量；X位移平均變化量)，計算前坡的非線性誤差：f1=Vmax/yF·S×100

6、%，式中Vmax為輸出電壓值與擬合直線的最大電壓偏差量：yF·S為滿量程時電壓輸出平均值（上圖的橫坐標表示X，縱坐標表示V）。通過擬合出來的曲線得下表：通過上表可以知道V=0.167295v，X=0.1mm，其靈敏度S=V/X=0.167295/0.1=1.67295（v/mm），Vmax=-0.78088v，yF·S=6.79v，則后=Vmax/yF·S×100%= -0.78088/6.79×100%=-11.5%。五、思考題：光纖位移傳感器測量位移時，對被測體的表面有些什么要求？答：被測物體表面盡量保持光滑，能夠使光準確的反射來減小漫反射

7、。實驗三十一 光纖傳感器測量振動實驗 一、實驗目的：了解光纖位移傳感器動態(tài)特性。 二、基本原理：利用光纖位移傳感器的位移特性，配以合適的測量電路即可測量振動。 三、需用器件與單元：光纖位移傳感器、光纖位移傳感器實驗模板、振動梁（2000型）或振動測量控制儀（9000型）、檢波/濾波/低通實驗模板、數(shù)顯頻率/轉(zhuǎn)速表。 四、實驗步驟：1、將光纖傳感器按圖3-5安裝在振動臺上，并用手按壓振動臺，不能使差動變壓器的活動桿有卡死的現(xiàn)象，否則必須調(diào)整安裝位置，光纖探頭對準振動臺的反射面。2、根據(jù)實驗三十的結(jié)果，找出前坡或后坡的線性段中點，通過調(diào)節(jié)安裝支架高度將光纖探頭與振動臺臺面的距離調(diào)整在線性段中點（大

8、致目測）。3、在圖9-2中V01與低通濾波器模板VI相接，低通輸出V0接到示波器。4、在振動源上接入低頻振動信號（2000型），將頻率選擇在6-10HZ左右，逐步增大輸出幅度，注意不能使振動臺面碰到傳感器，觀察示波器的信號波形。保持振動幅度不變，改變振動頻率觀察示波器的信號波形。答：示波器的信號波形是正弦波，當逐步增大輸出幅度時，示波器的信號波形的幅度也是逐漸的增大，與輸出幅度成正比。當保持振動的幅度不變時，改變振動頻率發(fā)現(xiàn)示波器的信號波形頻率逐漸的變小。5、根據(jù)實驗三十的數(shù)據(jù)，計算出梁的振動幅度有多大？答：由前波的位移特性圖可以知道，梁的振動幅度滿足正弦波，其電壓幅度V=6.68-0.03v

9、=6.65v，由前波的擬合直線可得，梁的振動幅度：X=(V+12.934)/3.1022=6.313mm.。五、思考題：試分析電容式、電渦流、光纖三種傳器測量振動時的特點？答：電容式測量振動時實際上是變極距差動電容式位移傳感器，通過改變電容值來表征振幅的變化，其可以測量微位移。電渦流測量振動頻率高于固有頻率的振動，他是通過在振動過程中產(chǎn)生的感應電流即渦流，在渦流里產(chǎn)生的交變磁場中產(chǎn)生的感應電壓，其靈敏度低。光纖傳感器測量振動時，光纖本身只起到傳光的作用。實驗三十二 光纖傳感器測量轉(zhuǎn)速實驗一、實驗目的：了解光纖位移傳感器用于測量轉(zhuǎn)速的方法。二、基本原理：利用光纖位移傳感器在被測物的反射光強弱明顯

10、變化時所產(chǎn)生的相應信號，經(jīng)電路處理轉(zhuǎn)換成相應的脈沖信號即可測量轉(zhuǎn)速。三、需用器件與單元：光纖傳感器、光纖傳感器實驗模板、直流源±15V、轉(zhuǎn)動源（2000型）或轉(zhuǎn)動測量控制儀（9000型）。四、實驗步驟：1、將光纖傳感器按實驗三十一圖3-5裝于傳感器支架上，使光纖探頭與電機轉(zhuǎn)盤平臺上的反射點對準。2、按圖9-2接線，將光纖傳感器實驗模板輸出V01與數(shù)顯電壓表VI端相接，接上實驗模板上±15V電源，數(shù)顯電壓表置2V檔，并按以下步驟操作:用手轉(zhuǎn)動圓盤，使探頭避開反射面，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)RW使數(shù)顯表顯示接近零（）。再用手轉(zhuǎn)動圓盤，使光纖探頭對準反射點，調(diào)節(jié)升降支架高低，使數(shù)

11、顯表指示最大，重復、步驟，直至兩者的電壓差值最大（差值需大于1V）。再將V01與轉(zhuǎn)速頻率表的fin端相接，頻率/轉(zhuǎn)速表開關(guān)撥到轉(zhuǎn)速檔。3、接入+2V+24V直流電壓至旋轉(zhuǎn)電機，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕，使電機轉(zhuǎn)動，逐漸加大轉(zhuǎn)速電壓，使電機轉(zhuǎn)速加快，固定某一轉(zhuǎn)速記下數(shù)顯表上讀數(shù)。答：固定在2135轉(zhuǎn)/分時的數(shù)顯表讀數(shù)為14.58V。 注：最高轉(zhuǎn)速請不要超過2400轉(zhuǎn)/分，否則光纖探頭的動態(tài)響應范圍可能會不夠。五、思考題：1、測量轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速盤上反射點的多少與測速精度有否影響？答：測量轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速盤上反射點的多少與測速精度有影響，反射點越少，測數(shù)精度越低。2、 你可以用實驗來驗證一下轉(zhuǎn)盤上僅一個反射點的情況嗎？答

12、：計算在1分鐘時間內(nèi)的脈沖數(shù)是否與轉(zhuǎn)速相等，如果相等，則轉(zhuǎn)盤上僅有一個反射點。實驗四十二 PSD位置傳感器位置測量實驗 PSD位置傳感器是光電檢測器件，利用PSD的光電流可測量入射到其感光區(qū)域的光斑能量中心位置(一維)，時間響應快，可應用于多種測量場合。本PSD位置傳感器采用了模似電路的位置處理，利用傳感器兩極輸出的電流，經(jīng)運算放大器電流電壓變換，加減運算，(有條件還可利用模似除法器)，其輸出電壓取決于光斑能量中心位置。 一、PSD位置傳感器系統(tǒng)組成：見圖121、PSD傳感器。2、電子處理模塊：I/V轉(zhuǎn)換 加減電路 除法器* 放大器(增益，調(diào)零) 3、半導體激光器。4、機械調(diào)節(jié)支架(調(diào)節(jié)PSD

13、傳感器與激光光斑位置)。5、振動梁 注：“*”電路為調(diào)試中可增減部分。二、PSD傳感器位置測試實驗：(1)將測微頭與梁邊上的磁鐵吸合，調(diào)節(jié)測微頭來調(diào)整激光光源的上下位置。使光斑大約在PSD傳感器的中心點上。(2)旋轉(zhuǎn)測微頭使光斑能在PSD傳感器有效面上移動。(3)接入±15V電源，將PSD信號輸出端V0與數(shù)字電壓表Vi相聯(lián)，電壓表置2V檔。(4)調(diào)節(jié)測微頭，使電壓表指示為零。往上旋轉(zhuǎn)測微頭，每隔0.1mm或0.2mm讀一次電壓表數(shù)值，并記入下表。所得實驗數(shù)據(jù)如下：(5)將測微頭回到零位，往下旋轉(zhuǎn)測微頭，同樣每隔0.1或0.2mm讀一次電壓表數(shù)值并填入上表。(6)作出XV曲線，計算系統(tǒng)

14、靈敏度及分析誤差的來源。答：通過上表作出XV曲線如下：通過擬合出來的直線為。計算系統(tǒng)的靈敏度S：S=V/X(V為輸出電壓平均變化量；X位移平均變化量)，其靈敏度約為擬合直線的斜率：即S=1.5202。計算其非線性誤差：f1=Vmax/yF·S×100%，式中Vmax為輸出電壓值與擬合直線的最大電壓偏差量：yF·S為滿量程時電壓輸出平均值。通過上表可以知道Vmax= 0.233v，yF·S=4v，則f1=Vmax/yF·S×100%= 0.233/4×100%= 5.8%。 因PSD為高靈敏器件，系統(tǒng)的機械誤差及測微頭的誤差都將對測試精度產(chǎn)生較大影響。其誤差來源于周圍環(huán)境變化，溫度變化的影響，氣壓變化，氣體流動等，還有測量儀器，人員讀數(shù)的影響。三、思考題：測量物體的位置與位移，其概念有什么不同？答：測量物體的位移時都是向著一個方向進行的測量，而對于位置的測量時則是雙方向的。本實驗可以測微振動嗎？答：因為其靈敏度很高，故微小振動對于此系統(tǒng)仍然有較高的反應，因此可以測量微小的振動。實驗四十三 PSD位置傳感器微振動測量實驗 由于PSD位置傳