光纖位移傳感器工作特性及其辨別真假鈔的應(yīng)用

1、光纖位移傳感器工作特性及其辨別真假鈔票的應(yīng)用曾鈺山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 201305191217一摘要：基于光的反射原理并結(jié)合光纖傳感器的特點(diǎn)，設(shè)計了反射式光纖位移傳感器應(yīng)用設(shè)計性實驗利用反射式 光纖傳感器測量微小位移的原理，通過測量輸出電壓與位移的關(guān)系確定工作點(diǎn)，測得表面柤糙程度不同的真假鈔的輸出信號，從而實現(xiàn)對紙幣的真假識別 二關(guān)鍵詞：光纖；傳感器；線性區(qū)；工作特性；位移；波信號；三引言：光纖在通信、圖像傳輸?shù)确矫嬗兄鴱V泛的運(yùn)用.其實，光纖傳感器在工農(nóng)業(yè)、科研等領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用.光纖位移傳感器是利用光纖的轉(zhuǎn)換功能或傳輸功能而研制的傳感器.光纖的傳輸特性對某些外界條件的變換

2、（如壓力、應(yīng)變、溫度和電磁場等）較為敏感.與其它機(jī)械量相比，位移是既容易檢測又容易獲得高精度的檢測量，所以測量中常采用將被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成位移來檢測的方法.例如將壓力轉(zhuǎn)換成膜的位移；將加速度轉(zhuǎn)換成重物位移等；而且這種方法結(jié)構(gòu)簡單，所以位移傳感器是機(jī)械量傳感器中的基本傳感器.因此，利用具有獨(dú)特優(yōu)勢的光纖傳感技術(shù)的位移測量越來越受到人們的重視.本實驗正是利用光纖位移傳感器對微小位移的敏感感知，由于假鈔沒有凹版印刷，而真鈔有凹版印刷，因此將真假鈔分別放在傳感器的探頭下時，傳感器反饋的電壓值是不盡相同的.四光纖位移傳感器光纖位移傳感器可以分為傳光型光纖傳感器和傳感型光纖傳感器兩類，我們研究的是傳光

3、型光纖傳感器.（一）光纖的基本結(jié)構(gòu)單根光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由纖芯、包層及保護(hù)套組成.纖芯為直徑很小的圓柱形透明電解質(zhì)纖維（某種玻璃或塑料）制成.環(huán)繞纖芯的是一層圓柱形套層，稱為包層.它由折射率與纖芯略有不同的玻璃或塑料制成，然后用一層保護(hù)套將他們包覆.光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性能，光線的強(qiáng)度有保護(hù)套來維持，使用時將幾根或多更光纖沿長度方向封裝在一起，稱為光纜.（二）光纖位移傳感器工作原理如圖所示為光纖位移傳感器測量原理圖.一束多股光纖（光源光纖）將光源發(fā)出的光投射到被測物體表面上，另一束多股光纖（接收光纖）用于接收被測物體表面反射回來的光.兩股光纖匯合處用有機(jī)玻璃固封，稱作光纖位

4、移傳感器的探頭，反射光經(jīng)接收光纖、光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出.輸出電壓的強(qiáng)弱決定于反射光強(qiáng)的大小.當(dāng)光纖位移傳感器探頭的端口緊貼反射面時，光纖光源的出光口被擋住，接收光纖接收不到反射光，因此無電壓信號輸出.隨著反射面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭端口，反射面被光纖發(fā)出的光照亮的區(qū)域越來越大，發(fā)射光錐與接收光錐重合的面積越來越大，因而接收光纖端口處被反射光照亮的區(qū)域越來越大.傳輸?shù)焦饷粼系墓鈴?qiáng)逐漸變大，傳感器輸出的電壓信號也隨之變大.當(dāng)反射面移到某一位置時，接收光纖的整個端口被全部照亮，因而輸出電壓大最大值，稱為“光峰點(diǎn)”.此后當(dāng)反射面繼續(xù)遠(yuǎn)離時，盡管接收光纖的整個端口仍然被全部照亮，由于單位面積內(nèi)

5、反射光的強(qiáng)度在減少，因此隨距離的增大，傳輸?shù)焦饷粼系墓鈴?qiáng)越來越小，傳感器輸出的電壓值也越來越小，輸出電壓與距離的關(guān)系如圖所示，光峰點(diǎn)之前的區(qū)域稱為上升沿，光峰點(diǎn)之后的區(qū)段稱為下降沿，在上升沿和下降沿，各有一個區(qū)域，輸出電壓與位移呈線性關(guān)系.但上升沿斜率比較大，意味著電壓對位移的變化比較敏感，靈敏度高，故本實驗利用該區(qū)段測量微小直線位移.實際上輸出電壓的大小不僅與傳感器端口到反射面的距離有關(guān)，還與光源的發(fā)光強(qiáng)度、反射物體表面的反射率、電路增益、光路效率、光電轉(zhuǎn)換效率等因素有關(guān).因此每臺儀器的光電轉(zhuǎn)換器都是與儀器單獨(dú)調(diào)配的，不要互換使用.當(dāng)上述因素一定待測物體表面的反射率一定時，電壓的大小只是

6、位移的函數(shù).當(dāng)傳感器端口到反射面的距離保持一定時，輸出電壓與反射面的反光能力有關(guān).比如不同粗糙度的表面、不同光澤度的表面，其表面反射光的能力不同，會得到不同的輸出電壓，因此，該類型的傳感器還可以測量物體表面的粗糙度、光澤度等.5 關(guān)于實驗（一）實驗器材CSY10型傳感器系統(tǒng)實驗儀，塞尺，待測工件，新的真假鈔若干，導(dǎo)線等.（二）實驗內(nèi)容 （1）測定光纖位移傳感器的工作特性曲線觀察光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)，了解振動臺在實驗儀上的位置（實驗儀臺面上右邊的圓盤）.將工件放到圓臺上，其表面用作反光面.光纖傳感器探頭對準(zhǔn)反光面后，固定在支架上.因為光電轉(zhuǎn)換器已安好，所以可將電壓信號直接送入電壓/頻率表，電壓/

7、頻率表的切換開關(guān)置于2V擋，供電電壓置于±2V擋，將光電變換器電路的增益調(diào)節(jié)到最大（順時針向轉(zhuǎn)動“增益”按鈕），開啟電源主副開關(guān).使光纖傳感器探頭與反光面良好接觸，盡量使電壓表的讀數(shù)為零.若讀數(shù)過大，應(yīng)調(diào)節(jié)探頭的取向.此時，傳感器端口與反射面的距離X為零.順時針方向旋轉(zhuǎn)測微儀，每隔0.250mm讀一次電壓表的數(shù)值，將其填入表一，計算V=Vi+1Vi（2）測定儀器的靈敏區(qū)、線性區(qū)表一中，有幾組V的值比較大，表明該范圍內(nèi)電壓對位移的變化敏感在儀器的靈敏區(qū)，每隔0.100mm重復(fù)實驗內(nèi)容一中的測量，將數(shù)據(jù)填入表二，若靈敏區(qū)比較小，可減小每步測量間隔，以獲得比較多的數(shù)據(jù).計算V，找出其中線性

8、好的區(qū)域.（3） 光纖位移傳感器的應(yīng)用 利用光纖位移傳感器對微小位移的靈敏感知，根據(jù)真假鈔分別有無凹板印刷，將電壓先調(diào)整到光線位移傳感器靈敏區(qū)的中間位置，先依次放入幾張真鈔，得出電壓值U11，U12，U13，U14.再將電壓調(diào)整到靈敏區(qū)中間位置，放上幾張假鈔，得到電壓值U21，U22，U23，U24.六 注意事項（1）實驗室請保持反射面的清潔和與光纖探頭端面的垂直度；（2）工作時光纖端面不宜長時間直接照射強(qiáng)光，以免內(nèi)部電路受損；（3）注意背景光對實驗的影響，避免強(qiáng)光直接照射反光表面造成測量誤差；（4）切勿將光纖折成銳角，保護(hù)光纖不受損失；（5）每臺儀器的光電轉(zhuǎn)換器都是與儀器單獨(dú)調(diào)配的，請勿互換

9、使用；（6）光纖探頭在支架上固定式時，應(yīng)保持氣端口與反光面平行，切不可相互摩擦，以免使光纖探頭端面受損.七實驗結(jié)果表（1）X/mm0.2500.5000.7501.0001.2501.5001.7502.000V/V0.1210.2220.2990.3990.4750.5350.5810.611V/V0.1210.1010.0770.1000.0760.0600.0460.030x/mm2.2502.5002.7503.0003.2503.5003.7504.000V/v0.6280.6330.6270.6140.5920.5690.5360.508V/V0.0170.005-0.006-0.

10、013-0.022-0.023-0.033-0.028x/mmx/mm4.2504.5004.7505.0005.2505.5005.7506.000V/v0.4760.4490.4180.3920.3660.3460.3200.302V/V-0.028-0.027-0.031-0.026-0.026-0.020-0.026-0.017x/mmx/mm6.2506.5006.7507.0007.2507.5007.7508.000V/v0.2810.2660.2480.2320.2200.2120.2080.202V/V-0.022-0.015-0.018-0.016-0.012-0.008-

11、0.004-0.006表（2）x/mm00.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.900V/v00.0480.0970.1410.1800.2160.2540.2900.3280.367V/V0.0480.0490.0440.0390.0380.0360.0360.0380.039x/mm1.0001.1001.2001.3001.4001.5001.6001.7001.8001.900V/v0.3960.4240.4510.4770.4950.5140.5920.5600.582V/V0.0290.0280.0270.0240.0180.0190.0180.0180.022 光線位移傳感器工作特性曲線 V/v x/mm八.實驗結(jié)果1.用表一中數(shù)據(jù)在毫米坐標(biāo)紙上作 關(guān)系曲線，找出滿足線性方程式 的區(qū)域.2.由表一知儀器的靈敏區(qū)大約在00.582之間，線性區(qū)大約在0.180v0.367v之間；靈敏區(qū)的斜率3.對U11，U12，U13.取平均值，得U1，對U21，U22，U23，U24取平均值，得U2.之后將真假鈔混合，依次放入，根據(jù)其電壓值不同，與U1，U2進(jìn)行對比，判斷其為真/假鈔. 九參考文獻(xiàn)1呂鵬;李恩邦;王瑋;張晨亮;唐春曉;光纖多模干涉應(yīng)變傳感器的數(shù)值模擬及實驗研究J;傳感技術(shù)學(xué)報;2