光纖傳感器位移和轉(zhuǎn)速測(cè)量研究

劉玉燕

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

近年來隨著低損耗系數(shù)光纖的誕生，使光纖傳感器的研究越來越為人們重視，在《傳感器原理與應(yīng)用》課程中開設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)是非常必要的。

1 光纖傳感器原理

反射式光纖位移傳感器的工作原理［1］如圖(1)所示，光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭，在傳感系統(tǒng)中，一支為接收光纖，另一支為光源光纖，光纖只起傳輸信號(hào)的作用。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖至光電轉(zhuǎn)換器，光電元件將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其輸出的光強(qiáng)決定于反射體距光纖探頭的距離，通過對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)而得到位置量［2］。當(dāng)光纖探頭與反射面的相對(duì)位置發(fā)生周期性變化，光電變換器輸出電量也發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)V/F電路變換，成方波頻率信號(hào)輸出，便可測(cè)得轉(zhuǎn)速［3］。

圖1 反射式光纖位移傳感器原理圖

2 位移測(cè)量

儀器中光纖探頭為半圓型結(jié)構(gòu)，由數(shù)百根光導(dǎo)纖維組成，一半為光源光纖，一半為接收光纖。探頭對(duì)準(zhǔn)鍍鉻反射片。反射片緊緊固定在可上下移動(dòng)的振動(dòng)圓盤上，振動(dòng)臺(tái)上裝上測(cè)微頭，旋動(dòng)測(cè)微頭，帶動(dòng)圓盤上下移動(dòng)并可直接讀出其相對(duì)位移。反射光通過接收光纖、光電變換器、電壓表所組成的測(cè)量裝置可得到傳感器探頭與反射片位移變化時(shí)的電壓信號(hào)輸出。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)使光纖探頭端面緊貼反射鏡面(必要時(shí)可稍許調(diào)整探頭角度)，此時(shí)Vo輸出為最小。然后旋動(dòng)測(cè)微頭，使反射鏡面離開探頭，每隔0．25 mm記錄一Vo電壓值。表1是一組測(cè)量結(jié)果，反映了位移X與輸出電壓V的關(guān)系。

3 轉(zhuǎn)速測(cè)量

將光纖探頭轉(zhuǎn)一角度置于測(cè)速電機(jī)(兩個(gè)葉片)上方，并調(diào)整探頭高度使其距轉(zhuǎn)盤面1mm左右，光纖探頭以對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤邊緣內(nèi)3mm處為宜。轉(zhuǎn)動(dòng)一周要經(jīng)過光纖傳感器兩次，就是說轉(zhuǎn)動(dòng)一圈可在F/V電路輸出上得到2個(gè)方波，當(dāng)?shù)玫筋l率F，則電機(jī)轉(zhuǎn)速=方波頻率除以2［4］。

4 測(cè)量結(jié)果分析

4．1 用matlab軟件對(duì)位移測(cè)量數(shù)據(jù)處理

采用matlab軟件處理數(shù)據(jù)，方便可靠，以7階多項(xiàng)式擬合為例，運(yùn)行如下語句:

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＇)

結(jié)果如下:

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

圖2 X-V曲線圖

表1 位移與電壓關(guān)系數(shù)據(jù)表(其中X單位mm，V單位mV)

4．2 轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果分析

將電機(jī)轉(zhuǎn)速固定，分別通過光纖傳感器、電渦流傳感器和電壓/頻率表測(cè)量其值。用光纖傳感器測(cè)其轉(zhuǎn)速［5，6］，示波器顯示方波如圖 3 所示，整形后的方波為圖4。用電渦流傳感器測(cè)其轉(zhuǎn)速［7］，用示波器顯示的脈動(dòng)波形如圖5。頻率表顯示如圖6為0．051KHz。示波器顯示的測(cè)量結(jié)果周期均為5．000 ms，頻率51 Hz左右。所以電機(jī)轉(zhuǎn)速為25 Hz左右。

由于方波幅值電壓的大小反應(yīng)了接收光纖接收反射光強(qiáng)的多少，而反射光強(qiáng)的多少是和光纖探頭端面與反射面的相對(duì)位置和距離有關(guān)，因此幅值電壓的變化反映了電機(jī)兩個(gè)葉片的抖動(dòng)現(xiàn)象，同樣用電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速輸出的脈動(dòng)波形相鄰的兩個(gè)峰值電壓差也對(duì)應(yīng)葉片的抖動(dòng)情況。

圖3 示波器輸出整形前波形(光纖傳感器)

圖4 示波器輸出整形后波形(光纖傳感器)

圖5 示波器顯示波形(電渦流傳感器)

圖6 頻率表顯示結(jié)果

5 結(jié) 論

通過光纖傳感器的位移和轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出:測(cè)量結(jié)果可靠、實(shí)用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)光路彎曲等優(yōu)點(diǎn)。并且由轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)還可以啟發(fā)學(xué)生觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)葉片的抖動(dòng)現(xiàn)象。利用matlab軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，可以激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，有利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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