光纤位移传感器工作特性及其辨别真假钞的应用

1、光纤位移传感器工作特性及其辨别真假钞票的应用曾钰山东大学 电气工程学院 山东 济南 201305191217一摘要：基于光的反射原理并结合光纤传感器的特点，设计了反射式光纤位移传感器应用设计性实验利用反射式 光纤传感器测量微小位移的原理，通过测量输出电压与位移的关系确定工作点，测得表面柤糙程度不同的真假钞的输出信号，从而实现对纸币的真假识别 二关键词：光纤；传感器；线性区；工作特性；位移；波信号；三引言：光纤在通信、图像传输等方面有着广泛的运用.其实，光纤传感器在工农业、科研等领域有着更为广泛的应用.光纤位移传感器是利用光纤的转换功能或传输功能而研制的传感器.光纤的传输特性对某些外界条件的变换

2、（如压力、应变、温度和电磁场等）较为敏感.与其它机械量相比，位移是既容易检测又容易获得高精度的检测量，所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移来检测的方法.例如将压力转换成膜的位移；将加速度转换成重物位移等；而且这种方法结构简单，所以位移传感器是机械量传感器中的基本传感器.因此，利用具有独特优势的光纤传感技术的位移测量越来越受到人们的重视.本实验正是利用光纤位移传感器对微小位移的敏感感知，由于假钞没有凹版印刷，而真钞有凹版印刷，因此将真假钞分别放在传感器的探头下时，传感器反馈的电压值是不尽相同的.四光纤位移传感器光纤位移传感器可以分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器两类，我们研究的是传光

3、型光纤传感器.（一）光纤的基本结构单根光导纤维的结构如图所示，它由纤芯、包层及保护套组成.纤芯为直径很小的圆柱形透明电解质纤维（某种玻璃或塑料）制成.环绕纤芯的是一层圆柱形套层，称为包层.它由折射率与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成，然后用一层保护套将他们包覆.光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性能，光线的强度有保护套来维持，使用时将几根或多更光纤沿长度方向封装在一起，称为光缆.（二）光纤位移传感器工作原理如图所示为光纤位移传感器测量原理图.一束多股光纤（光源光纤）将光源发出的光投射到被测物体表面上，另一束多股光纤（接收光纤）用于接收被测物体表面反射回来的光.两股光纤汇合处用有机玻璃固封，称作光纤位

4、移传感器的探头，反射光经接收光纤、光电转换元件转换成电压信号后输出.输出电压的强弱决定于反射光强的大小.当光纤位移传感器探头的端口紧贴反射面时，光纤光源的出光口被挡住，接收光纤接收不到反射光，因此无电压信号输出.随着反射面逐渐远离光纤探头端口，反射面被光纤发出的光照亮的区域越来越大，发射光锥与接收光锥重合的面积越来越大，因而接收光纤端口处被反射光照亮的区域越来越大.传输到光敏元件上的光强逐渐变大，传感器输出的电压信号也随之变大.当反射面移到某一位置时，接收光纤的整个端口被全部照亮，因而输出电压大最大值，称为“光峰点”.此后当反射面继续远离时，尽管接收光纤的整个端口仍然被全部照亮，由于单位面积内

5、反射光的强度在减少，因此随距离的增大，传输到光敏元件上的光强越来越小，传感器输出的电压值也越来越小，输出电压与距离的关系如图所示，光峰点之前的区域称为上升沿，光峰点之后的区段称为下降沿，在上升沿和下降沿，各有一个区域，输出电压与位移呈线性关系.但上升沿斜率比较大，意味着电压对位移的变化比较敏感，灵敏度高，故本实验利用该区段测量微小直线位移.实际上输出电压的大小不仅与传感器端口到反射面的距离有关，还与光源的发光强度、反射物体表面的反射率、电路增益、光路效率、光电转换效率等因素有关.因此每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，不要互换使用.当上述因素一定待测物体表面的反射率一定时，电压的大小只是

6、位移的函数.当传感器端口到反射面的距离保持一定时，输出电压与反射面的反光能力有关.比如不同粗糙度的表面、不同光泽度的表面，其表面反射光的能力不同，会得到不同的输出电压，因此，该类型的传感器还可以测量物体表面的粗糙度、光泽度等.5 关于实验（一）实验器材CSY10型传感器系统实验仪，塞尺，待测工件，新的真假钞若干，导线等.（二）实验内容 （1）测定光纤位移传感器的工作特性曲线观察光纤位移传感器的结构，了解振动台在实验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘）.将工件放到圆台上，其表面用作反光面.光纤传感器探头对准反光面后，固定在支架上.因为光电转换器已安好，所以可将电压信号直接送入电压/频率表，电压/

7、频率表的切换开关置于2V挡，供电电压置于±2V挡，将光电变换器电路的增益调节到最大（顺时针向转动“增益”按钮），开启电源主副开关.使光纤传感器探头与反光面良好接触，尽量使电压表的读数为零.若读数过大，应调节探头的取向.此时，传感器端口与反射面的距离X为零.顺时针方向旋转测微仪，每隔0.250mm读一次电压表的数值，将其填入表一，计算V=Vi+1Vi（2）测定仪器的灵敏区、线性区表一中，有几组V的值比较大，表明该范围内电压对位移的变化敏感在仪器的灵敏区，每隔0.100mm重复实验内容一中的测量，将数据填入表二，若灵敏区比较小，可减小每步测量间隔，以获得比较多的数据.计算V，找出其中线性

8、好的区域.（3） 光纤位移传感器的应用 利用光纤位移传感器对微小位移的灵敏感知，根据真假钞分别有无凹板印刷，将电压先调整到光线位移传感器灵敏区的中间位置，先依次放入几张真钞，得出电压值U11，U12，U13，U14.再将电压调整到灵敏区中间位置，放上几张假钞，得到电压值U21，U22，U23，U24.六 注意事项（1）实验室请保持反射面的清洁和与光纤探头端面的垂直度；（2）工作时光纤端面不宜长时间直接照射强光，以免内部电路受损；（3）注意背景光对实验的影响，避免强光直接照射反光表面造成测量误差；（4）切勿将光纤折成锐角，保护光纤不受损失；（5）每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，请勿互换

9、使用；（6）光纤探头在支架上固定式时，应保持气端口与反光面平行，切不可相互摩擦，以免使光纤探头端面受损.七实验结果表（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 光线位移传感器工作特性曲线 V/v x/mm八.实验结果1.用表一中数据在毫米坐标纸上作 关系曲线，找出满足线性方程式 的区域.2.由表一知仪器的灵敏区大约在00.582之间，线性区大约在0.180v0.367v之间；灵敏区的斜率3.对U11，U12，U13.取平均值，得U1，对U21，U22，U23，U24取平均值，得U2.之后将真假钞混合，依次放入，根据其电压值不同，与U1，U2进行对比，判断其为真/假钞. 九参考文献1吕鹏;李恩邦;王玮;张晨亮;唐春晓;光纤多模干涉应变传感器的数值模拟及实验研究J;传感技术学报;2