光電檢測實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)三十光纖位移傳感器（半圓分部）的特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w位移傳感器的工作原理和性能。二、基本原理：本實(shí)驗(yàn)采用的是導(dǎo)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(dāng)它與被測體相距X時(shí)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X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(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shù)顯單元、測微頭、直流電源15V、鐵測片。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)圖9-1安裝光纖位移傳感器，二束

2、光纖分別插入實(shí)驗(yàn)板上光電變換座內(nèi)，其內(nèi)部裝有發(fā)光管D及光電轉(zhuǎn)換管To2、將光纖實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵龆薞0與數(shù)顯單元相連，見圖9-2oILDw忒囲光殲傳感器位移實(shí)驗(yàn)接聶圖悵土竝iq電濟(jì)喘出+15V:、-H553、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(shí)驗(yàn)?zāi)０褰尤?5V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9-1o注：電壓變化范圍從Of最大f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X(inm)44.14.24.34.44.54.64

3、.74.84.9V(v)00.030.150.320.610.791.081.421.772.14X(inm)55.15.25.35.45.55.65.75.85.9V(v)2.512.893.283.4.0&4.394.755.075.355.X(inm)66.16.26.36.46.56.66.76.86.9V(v)5.836.036.186.316.686.786.796.756.696.62X(inm)77.17.27.37.47.57.67.77.87.9V(v)6.56.386.216.025.845.635.415.194.974.75X(inm)88.18.28.38.48.5

4、8.68.78.88.9V(v)4.544.324.13.923.733.553.363.23.022.87X(inm)99.19.29.39.49.59.69.79.89.9V(v)2.732.592.472.342.212.1121.921.811.73X(inm)1010.110.210.310.410.510.610.710.810.9V(v)1.641.591.511.441.371.311.251.191.141.1X(inm)1111.111.211.311.411.511.611.711.811.9V(v)1.071.000.960.910.870.830.800.770.73

5、0.70通過上述的表格可以找出在X=6.5或者6.6mm時(shí)輸出電壓才達(dá)到最大值為6.78或者6.79V，但當(dāng)繼續(xù)尋找最小值的時(shí)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(dá)到測微頭最大量程時(shí)還在繼續(xù)的減小，因此并沒有找到最小的記錄。并認(rèn)為X=4mm時(shí)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(jì)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(jìn)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(dá)到最大值，并

6、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(yīng)的減小，減小的幅度較小，并逐漸的趨于穩(wěn)定。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(dú)拿出來做處理同時(shí)去掉最前和最后的值，同樣用excel的畫圖進(jìn)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(dá)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(jì)算前坡的靈敏度S：S=AV仏X(AV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(

7、v/mm)。計(jì)算前坡的非線性誤差：&f1=AVmax仏yFSX100%,式中Vmax為輸出電壓值與擬合直線的最大電壓偏差量：yFS為滿量程時(shí)電壓輸出平均值。X(inm)4.14.24.34.44.54.&4.74.8V(v)0.030.150.320.610.791.081.421.773.1022*X-12.934-0.214980.095240.405460.715681.02591.336121.646341.95656AV(V)0.244980.05476-0.08546-0.10568-0.2359-0.25612-0.22634-0.18656X(inm)4.955.15.25.3

8、5.45.55.6V(v)2.142.512.893.283.674.064.394.753.1022*X-12.9342.266782.5772.887223.197443.507663.817884.12814.43832Av(v)-0.12678-0.0670.002780.082560.162340.242120.26190.31168X(inrri)5.75.85.966.16.26.36.4V(v)5.075.355.615.836.036.186.316.683.1022+X-12.9344.748545.058765.368985.67925.989426.299646.609

9、866.92008AV(v)0.321460.291240.241020.15080.04058-0.11964-0.29986-0.24008通過上表可以知道Vmax=0.32146v,yFS=6.79v,則&前=4Vmax/AyFSX100%=0.32146/6.79X100%=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(dú)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(dá)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/(x9)2.63316。計(jì)算后坡的靈敏度S：S=AV/AX（AV為輸出電壓平均變化量；X位移平均變化量），計(jì)算前坡的非線性誤差：6f1=AV

10、max仏yFSX100%,式中Vmax為輸出電壓值與擬合直線的最大電壓偏差量：yFS為滿量程時(shí)電壓輸出平均值（上圖的橫坐標(biāo)表示X,縱坐標(biāo)表示V）。通過擬合出來的曲線得下表：X(mm)6.66.76.86.977.17.2V(v)6.796.756.696.626.56.386.21444.488*x(-2)-2.633167.570887.2685556.979476.7028626.4380246.1842975.941068Av(y)-0.78088-0.51856-0.28947-0.082860.0619760.1957030.268932X(mm)7.57.67.77.87.988.

11、1V(v)5.635.415.194.974.754.544.32444.488*x(-2)-2.633165.2688495.0622694.8636864.6726914.4889044.3119654.141539Av(v)0.3611510.3477310.3263140.2973090.2610960.2280350.178461X(mm)8.48.58.68.78.88.99V(v)3.733.553.363.23.022.872.73444.488*x(-2)-2.633163.6662733.5189233.3766833.239323.1066132.9783542.8543

12、46Av(v)0.0637270.031077-0.01668-0.03932-0.08661-0.10835-0.12435X(mm)9.39.49.59.69.79.89.9V(v)2.342.212.1121.921.811.73444.488*x(-2)-2.633162.5060242.3972612.2919152.1898432.0909131.9949951.901969Av(y)-0.16602-0.18726-0.18191-0.18984-0.17091-0.18499-0.17197X(mm)10.210.310.410.510.610.710.8V(v)1.511.4

13、41.371.311.251.191.14444.488*x(-2)-2.633161.639121.5565661.4763811.3984771.3227671.249171.177608Av(v)-0.12912-0.11657-0.10638-0.08848-0.07277-0.05917-0.03761X(mm)11.111.211.311.411.511.611.7V(v)1.000.960.910.870.830.800.77444.488*x(-2)-2.633160.9744040.9102710.8478330.7870310.7278080.670110.613885Ay

14、(v)0.0255960.0497290.0621670.0829690.1021920.129890.1561150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,yFS=6.79v,則6后=4Vmax/yFSX100%=-0.78088/6.79X100%=-11.5%。五、思考題：光纖位移傳感器測量位移時(shí)，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(zhǔn)確的反射來減小漫反射。實(shí)驗(yàn)三十一光纖傳感器測量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w位移傳感器動(dòng)態(tài)特性。二、基本原

15、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(dòng)。三、需用器件與單元：光纖位移傳感器、光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、振?dòng)梁（2000型）或振動(dòng)測量控制儀（9000型）、檢波/濾波/低通實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?shù)顯頻率/轉(zhuǎn)速表。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將光纖傳感器按圖3-5安裝在振動(dòng)臺上，并用手按壓振動(dòng)臺，不能使差動(dòng)變壓器的活動(dòng)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(dòng)源上接入低頻振動(dòng)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(dòng)臺面碰到傳感器，觀察示波器的信號波形。保持振動(dòng)幅度不變，改變振動(dòng)頻率觀察示波器的信號波形。答：示波器的

16、信號波形是正弦波，當(dāng)逐步增大輸出幅度時(shí)，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(dāng)保持振動(dòng)的幅度不變時(shí)，改變振動(dòng)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(shí)驗(yàn)三十的數(shù)據(jù)，計(jì)算出梁的振動(dòng)幅度有多大？答：由前波的位移特性圖可以知道，梁的振動(dòng)幅度滿足正弦波，其電壓幅度V=6.68-0.03v=6.65v,由前波的擬合直線y=3.1022x-12.934可得，梁的振動(dòng)幅度：X=（AV+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(dòng)時(shí)的特點(diǎn)？答：電容式測量振動(dòng)時(shí)實(shí)際上是變極距差動(dòng)電容式位移傳感器，通過改變電容值來表征振幅的變化

17、，其可以測量微位移。電渦流測量振動(dòng)頻率高于固有頻率的振動(dòng)，他是通過在振動(dòng)過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流即渦流，在渦流里產(chǎn)生的交變磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，其靈敏度低。光纖傳感器測量振動(dòng)時(shí)，光纖本身只起到傳光的作用。實(shí)驗(yàn)三十二光纖傳感器測量轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w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(qiáng)弱明顯變化時(shí)所產(chǎn)生的相應(yīng)信號，經(jīng)電路處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shí)驗(yàn)?zāi)０?、直流?5V、轉(zhuǎn)動(dòng)源（2000型）或轉(zhuǎn)動(dòng)測量控制儀（9000型）。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將光纖傳感器按實(shí)驗(yàn)三十一圖3-5裝于傳感器支架上，使光纖

18、探頭與電機(jī)轉(zhuǎn)盤平臺上的反射點(diǎn)對準(zhǔn)。2、按圖9-2接線，將光纖傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０遢敵鯲01與數(shù)顯電壓表VI端相接，接上實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?5V電源，數(shù)顯電壓表置2V檔,并按以下步驟操作:用手轉(zhuǎn)動(dòng)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（三0）。再用手轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，使光纖探頭對準(zhǔn)反射點(diǎn)，調(diào)節(jié)升降支架高低，使數(shù)顯表指示最大，重復(fù)、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(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸加大轉(zhuǎn)速電壓,使電機(jī)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21

19、35轉(zhuǎn)/分時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍可能會不夠。五、思考題：1、測量轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速盤上反射點(diǎn)的多少與測速精度有否影響？答：測量轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速盤上反射點(diǎn)的多少與測速精度有影響，反射點(diǎn)越少，測數(shù)精度越低。2、你可以用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下轉(zhuǎn)盤上僅一個(gè)反射點(diǎn)的情況嗎？答：計(jì)算在1分鐘時(shí)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(gè)反射點(diǎn)。通過擬合出來的直線為y=1.5202x-5.542。計(jì)算系統(tǒng)的靈敏度S：S=AV仏X（AV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(jì)算其非線性誤差：&f1=

20、AVmax仏yFSX100%,式中Vmax為輸出電壓值與擬合直線的最大電壓偏差量：yFS為滿量程時(shí)電壓輸出平均值。實(shí)驗(yàn)四十二PSD位置傳感器位置測量實(shí)驗(yàn)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(shí)間響應(yīng)快，可應(yīng)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(yùn)算放大器電流電壓變換，加減運(yùn)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(dǎo)體激光器。4、機(jī)

21、械調(diào)節(jié)支架(調(diào)節(jié)PSD傳感器與激光光斑位置)。5、振動(dòng)梁注：“*”電路為調(diào)試中可增減部分。二、PSD傳感器位置測試實(shí)驗(yàn)：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(diǎn)上。旋轉(zhuǎn)測微頭使光斑能在PSD傳感器有效面上移動(dòng)。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：X(mm)2.492.592.692.792.892.993.093.193.29V(v)-1.990-1.818-1.649-1.

22、297-0.989-0.865-0.677-0.555-0.357X(mm)3.393.493.593.693.793.893.994.094.19V(v)-0.200-0.1550.0020.0830.2130.3570.450.5790.6724.294.394.494.594.694.794.89VW0.8390.9921.1821.3881.6461.946詔出將測微頭回到零位，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(jì)算系統(tǒng)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y=1.5202x-5.542。計(jì)算系

23、統(tǒng)的靈敏度S：S=AV仏X（AV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(jì)算其非線性誤差：&f1=AVmax仏yFSX100%,式中Vmax為輸出電壓值與擬合直線的最大電壓偏差量：yFS為滿量程時(shí)電壓輸出平均值。X(mm)2.492.592.692.792.892.993.093.19V(v)-1.990-1.818-1.649-1.297-0.989-0.865-0.677-0.5551.5202*x-5.542-1.7567-1.6047-1.4527-1.3006-1.1486-0.9966-0.8446-0.6926A7(v)-0.23

24、3-0.213-0.1960.0040.1600.1320.1680.138X(mm)3.293.393.493.593.693.793.893.99V(v)-0.357-0.200-0.1550.0020.0830.2130.3570.451.5202*x-5.542-0.54054-0.3885-0.2365-0.08450.067540.219560.371580.5236AvW0.1840.1890.0820.0860.015-0.007-0.015-0.074X(mm)4.094.194.294.394.494.594.694.79V(v)0.5790.6720.8390.9921.1821.3881.6461.9461.5202*x-5.5420.6756180.82