光纤位移传感器实验教学改进

周卫平,卜乐平,杨宣访,李 辉,王 铭,彭天成

(海军工程大学 电气工程学院,湖北 武汉 430033)

传感器是通过敏感元件和转换元件，将某种物理量转换成便于传输和处理的物理量的检测器件。传感器技术的应用十分广泛，无论是在航空航天等高精尖领域，还是在日常生活中都不可或缺，传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，与通信技术、计算机技术等一样是信息时代的重要标志技术。实验教学是熟练掌握传感器与检测技术原理和性能的一个重要步骤，因而做好传感器与检测技术实验课程教学十分重要[1-9]。

光纤传感器是伴随着光纤通信技术的应用而发展起来的一门技术。光纤传感器具有高灵敏度、频带宽、动态范围大；易于实现数字传输与遥测和控制；对于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境不敏感等特征。因而可广泛应用于测量声场、磁场、压力、温度、加速度、转动量、位移、液位、流量、电流、辐射等多种物理量[10-12]。

1 光纤位移传感器实验步骤

有多种不同厂家型号的传感器系统综合实验装置供传感器与检测技术等课程实验教学之用，利用这些多功能、动手型的综合实验装置，很方便开展传感器与检测技术相关课程的实验教学。

光纤传感器按其工作原理来分有功能型和非功能型两类。功能型光纤传感器的光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能，主要利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而进行测量和数据传输。而非功能型的光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。比如光纤位移传感器、光纤测温传感器、光频率调制型光纤传感器等。

反射式光纤位移传感器是非功能型光纤位移传感器的一种，其原理如图1和图2所示。光纤采用Y型结构，两束光纤一端合并组成光纤探头，另一端两支分开分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收。

在一定的距离范围内，转换器接收到的光与反射面到光纤探头距离有正比关系，但当到达最大值点后又随两者的距离增加反而减小。反射式光纤位移传感器可以对位移进行非接触式测量，具有探头小、响应速度快、测量线性化、抗电磁干扰等优点。

图1 Y型结构光纤

光纤传感器位移性能实验的主要实验操作步骤如下[13]。

1)利用光纤传感器位移实验模块按图2安装光纤位移传感器和螺旋测微器、Y型光纤。光纤探头对准镀铬反射面，调节光纤探头端面与反射面平行，距离合适。然后接通电源预热一段时间。

2)将测微头起始位置调到合适处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定螺旋测微器。

3)实验模块从主控台接入电源。

4)将模块输出“Uo”接到直流电压表(20 V挡)，调节电位器Rw旋钮使电压表显示为零。

5)按照使反射面与光纤探头端面距离增大的方向旋动螺旋测微器，每隔0.1 mm读出一次输出电压u值，将数据填入表1中。实验中要注意螺旋测微器头的精细位移以及输出电压的读数。

图2 光纤位移传感器与实验模块安装

2 实验数据处理与作图

实验数据处理与作图是实验后完成实验报告的一个环节，学生往往不够重视。在教学中，学生通常采用坐标纸绘图处理数据，但是比较耗费精力，效果也不太好，这也是学生完成实验报告耗时较长的主要原因。通过引导学生采用Excel软件进行数据处理，可以很方便高效地处理数据与作图。

表1所示为一组课堂实验数据，可采用Excel方便地完成数据处理和作图等功能。

表1 光纤传感器位移与输出电压实验数据

2.1 数据处理与绘图

运行Excel软件(以2003版为例)，选取线性段较好的区间0～1.6 mm之间的数据，在A、B两列分别输入位移和电压实验数据，然后按如下步骤进行处理。

1)在下方选取一空白单元格，点击菜单“插入函数”并且选择“Slope”，分别选取两个坐标轴上需要进行线性拟合的数据，得出线性拟合直线的斜率k值。

2)同样再在另外一个空格内，利用插入“Intercept”函数并且选定数据，求出线性拟合直线的截矩b。

3)在C列通过插入公式，计算拟合直线u=kx+b的对应拟合点值，并且在D、E列分别通过插入公式计算测量值与拟合点值之间的误差值和误差绝对值。

5)点击“插入”→图标栏中的“散点图”，并从中选出“平滑线散点图”。

6)点击“下一步”，出现数据对话框后点击“系列”，添加序列1，命名“光纤传感器”，选择并导入A、B列的x、u值；然后添加序列2，命名“拟合直线”，选择并导入A、C列的x、u值；点击“下一步”，完成填入坐标轴名称等辅助工作；点击“以对象插入”并单击“完成”。

2.2 实验结果

计算结果如表2所示，计算可得灵敏度k=2.496 324 V/mm，b=-0.042 16，拟合直线方程为u= 2.496 324x-0.042 16，实验测量数据的非线性最大偏差umax=0.06 V，非线性度δ为1.53%。依据前述步骤得到如图3所示绘图。实验对该传感器在选定测量范围内的灵敏度、线性度和非线性误差等特性进行了实验测试和验证。结果表明该传感器在一定测量范围内，非线性误差较小。

表2 实验数据处理结果

图3 传感器输入输出关系与线性拟合直线

3 结束语

针对传感器与检测技术实验教学中，由于实验数据较多，结果处理环节中数据处理较为复杂和烦琐，影响教学效果，在积极引导部分学生采用Excel软件进行数据处理后，明显提高了实验报告的质量，减少了完成实验报告的时间，取得了较好教学效果，也更好地完成了实验课程教学的任务。