反射式光纖位移傳感器應用設計實驗

肖怡安

（武漢大學物理實驗教學中心，湖北武漢430072）

1 引 言

光纖傳感器是20世紀70年代中期出現的一種新型傳感器，它具有絕緣、無電感、可繞曲、抗腐蝕、抗電磁干擾等特性[1－3].因此，光纖傳感器可實現遠距離監測和非接觸測量[4－5].本文利用光的反射原理，并結合光纖傳感器的特點，開設了反射式光纖位移傳感器應用設計性實驗.讓學生自行設計實驗方案并構建實驗裝置，最終實現對微小位移的測量及真假鈔的識別.

2 反射式光纖傳感器測位移原理

圖1 雙光纖組合探頭測試原理圖

反射式光纖傳感器可以用雙光纖或二光纖束構成Y形光導.圖1為雙光纖組合探頭測試原理圖.發射光纖輸出光能ε0在反射面反射后，由接收光纖接收，這時接收光纖所接收的光能等效于發射光纖虛像發出的光能.若光纖直徑為2r，數值孔徑為Φ，探頭雙光纖間距為l，光纖端面到反射面的距離為d，令t＝tanθ＝tan（arcsinΦ），則發射光纖的虛像光錐體底面積S0＝π（r＋2dt）2.由于接收光纖芯徑很小，可將光錐邊緣與接收光纖芯交界弧線做直線近似處理.通過計算，光錐體與接收光纖端面的交疊面積S為

設反射耦合到接收光纖光能ε與發射光纖光能ε0的比值為K，即

當l≈0時，傳感器探頭雙光纖緊靠，

因為電壓Vo（或光電流）的輸出與光纖芯r、孔徑Φ等量密不可分，所以在光纖芯r、孔徑Φ、反射面光檢測器已確定情況下，輸出電壓Vo（或光電流）只是位移d的函數Vo＝f（d）.

采用發光二極管作為光源，經過穩流后的發光二極管（或白光）入射于發射光纖，直接照射被測物的反射面（鍍水銀膜、玻璃鏡面……），反射光由接收光纖把接收光能照射光檢測器（PIN管或光電三極管）進行光電轉換，由顯示器（數字電壓表或示波器等）測出輸出電壓（或光電流）與檢測位移的關系.

根據輸出電壓Vo與位移d的關系，不斷改變探頭與被測物反射面距離（由讀數裝置測d），由數字電壓表讀出輸出電壓Vo，輸出電壓Vo與位移d特性曲線如圖2所示.從特性曲線得出：ab線段靈敏度高，而ce線段測量范圍較寬，根據需要可選取不同的線性段[6－7].

圖2 Vo－d特性曲線

3 實驗及測試方法

3.1 微位移測量電壓

將分辨力為10－5mm的報廢邁克耳孫干涉儀改裝成微位移調節支架，光纖探頭固定在一端，支架另一端（移動端）旋轉微調鼓輪，實現微位移定量調節.測頭端面是一鏡面，作為反射體的反射面，反射面與接收光纖的軸線垂直，通過旋轉微調鼓輪改變反射面相對接收光纖入射端口的軸向間距，主尺、粗調手輪和微調鼓輪的讀數之和即為反射體的位移值[8].

在傳感器的前沿工作區取每0.05mm為1個測量點，測出對應于位移量d的輸出電壓值Vo，實驗曲線如圖3所示，圖3中的擬合直線為Vo＝194.283 45 d＋9.041 02.傳感器的特性為：量程為0～2mm，靈敏度為195μV／μm，線性度為±0.05%.從實驗中可以看出：光纖探頭與被測物接觸或零間隙時，則全部傳輸光量直接被反射到入射光纖.沒有提供光給接收光纖，輸出電壓信號為“零”.當探頭與被測物距離增加時，接收光纖接收的光量增多，此關系直到接收光纖全部被照明為止，此時也被稱之為“光峰值”.這一階段就是圖2中ab段，靈敏度高，線性好，動態范圍小，適于微位移的測量.測量中要求裝置固定不動、光源輸出穩定，一經標定后，實驗裝置不能改變.

圖3 實驗曲線與擬合曲線

3.2 用光纖傳感器測試紙幣凹板印刷的設計及實驗

在測量位移d與輸出信號Vo特性曲線的基礎上，確定線性段，以便決定測量振動探頭的位置.當把光纖探頭置于圖2曲線中與反射面距離d1位置時，可見其波形振幅較大，并隨振動振幅變化而變化.若選取探頭與反射面距離d2位置時，可看見波形振幅較小.如果探頭位置不恰當地選在圖2曲線中d3和d4位置時，則可看到振動波形失真.利用該特性，用光纖傳感器測試紙幣凹板印刷的不同振動波形.

對于不同材質不同粗細的光纖與各式各樣的處理電路，其測試物體表面粗糙度具有不同的計算參量.因為人民幣的凹版印刷受到紙幣新舊程度（磨損）的影響，以工業鑄件標準去測試人民幣的粗糙程度，是完全沒有必要的.金融防偽器具的研制，對于凹版印刷的測試目的在于判別是否存在凹版印刷及紙幣凹板印刷的特征，然后根據輸出信號進行真假判別.

本實驗采用Y型雙單模光纖組成的反射式位移傳感器進行測試[9]，測試系統的組成如圖4所示.入射、接收部分光源均采用激光器與光纖頭進行耦合.用電流為10mA，工作電壓為5V的穩直流電源供電，用LM124低噪聲運算放大器作為前級同相放大，放大倍數1 000倍，輸出范圍0～3.6V.

實驗對象是真鈔和沒有凹版印刷的假鈔.測試方法是將光纖探頭輕壓在鈔票上的領肩部分，垂直于凹版印刷的條紋方向進行滑動，并用示波器觀測放大1 000倍以后的信號，得到的波形圖如圖5所示.由圖5可見，凹版印刷的信號呈現有規律的波形，而沒有凹版的假幣信號則是雜亂無章的，受到不均勻的紙質和油墨吸收而隨機地上下起伏形成雜亂波形，而在真鈔中由于采用凹版印刷，凸凹分布均勻，形成有規律的間隔，故波形為有規律狀.在具體信號處理中，結合鈔票相對于探頭的滑動速度，可以判別出紙幣是否存在凹版印刷，從而達到防偽的功能.

圖4 測試系統框圖

圖5 實驗信號波形

4 實驗結果

1）光纖探頭與被測物接觸或零間隙時，全部傳輸光量直接被反射到入射光纖，沒有提供光給接收光纖.當探頭與被測物距離增加時，接收光纖接收的光量增多，此關系直到接收光纖全部被照明為止.此時也被稱之為“光峰值”.這一階段靈敏度高，線性好，動態范圍小，適于要求高靈敏度、高準確度的測量.

2）由實驗結果可以看出，本實驗所需光纖成本低，測試工作簡單易行，且不受紙質影響，但對機械設計要求比較高，必須要保證過鈔與底板之間距離保持一定，且固定架容易被磨損.

5 結束語

將光纖傳感器的應用引入大學物理實驗中，能讓學生從實踐中了解光纖的傳光特性以及光纖在光纖通信領域以外的應用；學生通過自主設計完成實驗，分析解決實驗中出現的各種問題，諸如光源與發射光纖的耦合、光纖探頭與探測物相對位置的確定、接收光纖與探測器的耦合等問題，激發創新潛能，提高實踐能力.本設計實驗開設的時間不長，內容設計還比較粗糙，有待今后教學實踐中不斷改進.

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