反射式光纤小位移传感器的研制

摘要

随着现代工业技术的发展，使得对小位移测量的精度和方式提出了更多、更高的要求。小位移传感器常被应用于高精度检验站、设备标定等方面。由于传统的小位移传感器体积大、适应性差、价格昂贵等缺点，所以本论文设计了一种基于光强调制原理的反射式光纤小位移传感器，借助虚拟仪器软件平台LabVIEW来控制光纤传感器系统，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件对数据进行采集，其具有体积小、价格低廉、非接触、设计灵活、原理简单以及可在恶劣环境正常使用等优点。
　　本文对反射式光纤小位移传感器做了如下研究：
　　研究了传感器的基本原理，建立了传感头接收光功率的受光模型，确定了各参数对传感器输出特性影响的规律(光纤芯径、数值孔径以、发射光纤与接收光纤之间的距离)，为文中传感器的设计提供了理论依据。
　　优化传感探头的光纤束结构，采用Y型光纤并设计单根光纤发射、多根光纤接收的光纤束结构，可以有效校正由于被测面与传感探头轻微倾斜时所造成的接收光功率减小的现象。
　　根据本传感器工作原理——光从光源耦合到发射光纤并射向待测物体，再由待测物体表面反射到接收光纤，随后由探测器接收，探测器所接收到的光强将随待测物表面与光纤探头端面的距离而变化。为得到位移量与电压量之间的对应关系，依据数学几何关系、光电转换原理，设计一个包括光电转换模块、放大电路模块与数据采集模块的硬件电路，以此解决位移数据采集问题。
　　在完成整个传感器制作之后，通过步进电机进行位移的标定，利用传感器进行实际测试验证。为验证传感器的性能对其进行实验，包括对传感器的灵敏度、重复性误差、稳定性误差、迟滞性误差等性能进行了实验测试和量化分析，得出此传感器的测量范围在为0.5mm以内、精度为10μm、灵敏度为11.635v/mm、重复性误差为±2.15％、稳定性误差为±1.7％、迟滞性误差为±1.77％、静态误差为±7.27％。
　　设计传感器时所建立的探头受光数学模型、光纤参数仿真、光纤束结构设计方法，可优化传感器性能；优化后的传感器系统在反复测量聚氟乙烯板与传感探头之间的位移时，所得到的测试结果也与预期所要达到的传感器性能指标相符(精度为10um、灵敏度高、稳定性强)。
　　本论文为光纤小位移传感器的研究奠定了理论基础，经过简单改装后，还可以用于角位移、加速度、压力等物理量的测量，具有很强的实用价值。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1传感技术简介

1.2 光纤传感技术简介

1.3 反射式强度调制型光纤传感器

1.4 本课题研究意义及内容

1.5 本章小结

2 反射式强度调制型光纤传感器性能的分析研究

2.1 反射式光纤位移传感器的工作原理

2.2 对光纤参数进行matlab仿真

2.3 工作区间的选取

2.4反射面形状对反射式位移传感器的影响

2.5 传感头端面与反射面不垂直

2.6 本章小结

3 反射式光纤位移传感器设计

3.1 反射式光纤位移传感器整体方案设计

3.2 反射式光纤位移传感器光纤探头设计

3.3 反射式光线位移传感器的硬件部分

3.4软件部分

3.5 本章小结

4 反射式位移传感器实验研究

4.1 实验环境

4.2 实验步骤

4.3 反射式光纤位移传感器测试实验

4.4 传感器性能测试

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献