反射式光纤位移传感器应用设计实验

肖怡安

（武汉大学物理实验教学中心，湖北武汉430072）

1 引 言

光纤传感器是20世纪70年代中期出现的一种新型传感器，它具有绝缘、无电感、可绕曲、抗腐蚀、抗电磁干扰等特性[1－3].因此，光纤传感器可实现远距离监测和非接触测量[4－5].本文利用光的反射原理，并结合光纤传感器的特点，开设了反射式光纤位移传感器应用设计性实验.让学生自行设计实验方案并构建实验装置，最终实现对微小位移的测量及真假钞的识别.

2 反射式光纤传感器测位移原理

图1 双光纤组合探头测试原理图

反射式光纤传感器可以用双光纤或二光纤束构成Y形光导.图1为双光纤组合探头测试原理图.发射光纤输出光能ε0在反射面反射后，由接收光纤接收，这时接收光纤所接收的光能等效于发射光纤虚像发出的光能.若光纤直径为2r，数值孔径为Φ，探头双光纤间距为l，光纤端面到反射面的距离为d，令t＝tanθ＝tan（arcsinΦ），则发射光纤的虚像光锥体底面积S0＝π（r＋2dt）2.由于接收光纤芯径很小，可将光锥边缘与接收光纤芯交界弧线做直线近似处理.通过计算，光锥体与接收光纤端面的交叠面积S为

设反射耦合到接收光纤光能ε与发射光纤光能ε0的比值为K，即

当l≈0时，传感器探头双光纤紧靠，

因为电压Vo（或光电流）的输出与光纤芯r、孔径Φ等量密不可分，所以在光纤芯r、孔径Φ、反射面光检测器已确定情况下，输出电压Vo（或光电流）只是位移d的函数Vo＝f（d）.

采用发光二极管作为光源，经过稳流后的发光二极管（或白光）入射于发射光纤，直接照射被测物的反射面（镀水银膜、玻璃镜面……），反射光由接收光纤把接收光能照射光检测器（PIN管或光电三极管）进行光电转换，由显示器（数字电压表或示波器等）测出输出电压（或光电流）与检测位移的关系.

根据输出电压Vo与位移d的关系，不断改变探头与被测物反射面距离（由读数装置测d），由数字电压表读出输出电压Vo，输出电压Vo与位移d特性曲线如图2所示.从特性曲线得出：ab线段灵敏度高，而ce线段测量范围较宽，根据需要可选取不同的线性段[6－7].

图2 Vo－d特性曲线

3 实验及测试方法

3.1 微位移测量电压

将分辨力为10－5mm的报废迈克耳孙干涉仪改装成微位移调节支架，光纤探头固定在一端，支架另一端（移动端）旋转微调鼓轮，实现微位移定量调节.测头端面是一镜面，作为反射体的反射面，反射面与接收光纤的轴线垂直，通过旋转微调鼓轮改变反射面相对接收光纤入射端口的轴向间距，主尺、粗调手轮和微调鼓轮的读数之和即为反射体的位移值[8].

在传感器的前沿工作区取每0.05mm为1个测量点，测出对应于位移量d的输出电压值Vo，实验曲线如图3所示，图3中的拟合直线为Vo＝194.283 45 d＋9.041 02.传感器的特性为：量程为0～2mm，灵敏度为195μV／μm，线性度为±0.05%.从实验中可以看出：光纤探头与被测物接触或零间隙时，则全部传输光量直接被反射到入射光纤.没有提供光给接收光纤，输出电压信号为“零”.当探头与被测物距离增加时，接收光纤接收的光量增多，此关系直到接收光纤全部被照明为止，此时也被称之为“光峰值”.这一阶段就是图2中ab段，灵敏度高，线性好，动态范围小，适于微位移的测量.测量中要求装置固定不动、光源输出稳定，一经标定后，实验装置不能改变.

图3 实验曲线与拟合曲线

3.2 用光纤传感器测试纸币凹板印刷的设计及实验

在测量位移d与输出信号Vo特性曲线的基础上，确定线性段，以便决定测量振动探头的位置.当把光纤探头置于图2曲线中与反射面距离d1位置时，可见其波形振幅较大，并随振动振幅变化而变化.若选取探头与反射面距离d2位置时，可看见波形振幅较小.如果探头位置不恰当地选在图2曲线中d3和d4位置时，则可看到振动波形失真.利用该特性，用光纤传感器测试纸币凹板印刷的不同振动波形.

对于不同材质不同粗细的光纤与各式各样的处理电路，其测试物体表面粗糙度具有不同的计算参量.因为人民币的凹版印刷受到纸币新旧程度（磨损）的影响，以工业铸件标准去测试人民币的粗糙程度，是完全没有必要的.金融防伪器具的研制，对于凹版印刷的测试目的在于判别是否存在凹版印刷及纸币凹板印刷的特征，然后根据输出信号进行真假判别.

本实验采用Y型双单模光纤组成的反射式位移传感器进行测试[9]，测试系统的组成如图4所示.入射、接收部分光源均采用激光器与光纤头进行耦合.用电流为10mA，工作电压为5V的稳直流电源供电，用LM124低噪声运算放大器作为前级同相放大，放大倍数1 000倍，输出范围0～3.6V.

实验对象是真钞和没有凹版印刷的假钞.测试方法是将光纤探头轻压在钞票上的领肩部分，垂直于凹版印刷的条纹方向进行滑动，并用示波器观测放大1 000倍以后的信号，得到的波形图如图5所示.由图5可见，凹版印刷的信号呈现有规律的波形，而没有凹版的假币信号则是杂乱无章的，受到不均匀的纸质和油墨吸收而随机地上下起伏形成杂乱波形，而在真钞中由于采用凹版印刷，凸凹分布均匀，形成有规律的间隔，故波形为有规律状.在具体信号处理中，结合钞票相对于探头的滑动速度，可以判别出纸币是否存在凹版印刷，从而达到防伪的功能.

图4 测试系统框图

图5 实验信号波形

4 实验结果

1）光纤探头与被测物接触或零间隙时，全部传输光量直接被反射到入射光纤，没有提供光给接收光纤.当探头与被测物距离增加时，接收光纤接收的光量增多，此关系直到接收光纤全部被照明为止.此时也被称之为“光峰值”.这一阶段灵敏度高，线性好，动态范围小，适于要求高灵敏度、高准确度的测量.

2）由实验结果可以看出，本实验所需光纤成本低，测试工作简单易行，且不受纸质影响，但对机械设计要求比较高，必须要保证过钞与底板之间距离保持一定，且固定架容易被磨损.

5 结束语

将光纤传感器的应用引入大学物理实验中，能让学生从实践中了解光纤的传光特性以及光纤在光纤通信领域以外的应用；学生通过自主设计完成实验，分析解决实验中出现的各种问题，诸如光源与发射光纤的耦合、光纤探头与探测物相对位置的确定、接收光纤与探测器的耦合等问题，激发创新潜能，提高实践能力.本设计实验开设的时间不长，内容设计还比较粗糙，有待今后教学实践中不断改进.

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