光纤传感器位移和转速测量研究

刘玉燕

(华北电力大学，北京 102206)

近年来随着低损耗系数光纤的诞生，使光纤传感器的研究越来越为人们重视，在《传感器原理与应用》课程中开设相应实验是非常必要的。

1 光纤传感器原理

反射式光纤位移传感器的工作原理［1］如图(1)所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位置量［2］。当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化，光电变换器输出电量也发生相应的变化，经V/F电路变换，成方波频率信号输出，便可测得转速［3］。

图1 反射式光纤位移传感器原理图

2 位移测量

仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。探头对准镀铬反射片。反射片紧紧固定在可上下移动的振动圆盘上，振动台上装上测微头，旋动测微头，带动圆盘上下移动并可直接读出其相对位移。反射光通过接收光纤、光电变换器、电压表所组成的测量装置可得到传感器探头与反射片位移变化时的电压信号输出。实验开始时使光纤探头端面紧贴反射镜面(必要时可稍许调整探头角度)，此时Vo输出为最小。然后旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0．25 mm记录一Vo电压值。表1是一组测量结果，反映了位移X与输出电压V的关系。

3 转速测量

将光纤探头转一角度置于测速电机(两个叶片)上方，并调整探头高度使其距转盘面1mm左右，光纤探头以对准转盘边缘内3mm处为宜。转动一周要经过光纤传感器两次，就是说转动一圈可在F/V电路输出上得到2个方波，当得到频率F，则电机转速=方波频率除以2［4］。

4 测量结果分析

4．1 用matlab软件对位移测量数据处理

采用matlab软件处理数据，方便可靠，以7阶多项式拟合为例，运行如下语句:

x=0:0．25:9．25;

y=［75 155 244 321 389 436 470 486 493 487 475 457 436 413 389 366 342 320 300 279 262 244 230 215 202 190 179 168 159 150 142 134 127 120 115 109 105 100］;

p=polyfit(x，y，7)y1=polyval(p，x);plot(x，y1，x，y，＇ro＇)

结果如下:

p=［－ 0．0103 0．3593 － 4．8875 31．8316－89．8603 5．1744 373．1020 69．3959］

图2 X-V曲线图

表1 位移与电压关系数据表(其中X单位mm，V单位mV)

4．2 转速测量结果分析

将电机转速固定，分别通过光纤传感器、电涡流传感器和电压/频率表测量其值。用光纤传感器测其转速［5，6］，示波器显示方波如图 3 所示，整形后的方波为图4。用电涡流传感器测其转速［7］，用示波器显示的脉动波形如图5。频率表显示如图6为0．051KHz。示波器显示的测量结果周期均为5．000 ms，频率51 Hz左右。所以电机转速为25 Hz左右。

由于方波幅值电压的大小反应了接收光纤接收反射光强的多少，而反射光强的多少是和光纤探头端面与反射面的相对位置和距离有关，因此幅值电压的变化反映了电机两个叶片的抖动现象，同样用电涡流传感器测转速输出的脉动波形相邻的两个峰值电压差也对应叶片的抖动情况。

图3 示波器输出整形前波形(光纤传感器)

图4 示波器输出整形后波形(光纤传感器)

图5 示波器显示波形(电涡流传感器)

图6 频率表显示结果

5 结 论

通过光纤传感器的位移和转速实验结果可以得出:测量结果可靠、实用方便、结构简单、可以实现光路弯曲等优点。并且由转速测量实验还可以启发学生观察电机转动两个叶片的抖动现象。利用matlab软件对测量结果进行处理，可以激发学生做实验的兴趣，有利于对学生创新能力的培养。

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