光纖位移傳感器實驗教學改進

周衛(wèi)平,卜樂平,楊宣訪,李 輝,王 銘,彭天成

(海軍工程大學 電氣工程學院,湖北 武漢 430033)

傳感器是通過敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，將某種物理量轉(zhuǎn)換成便于傳輸和處理的物理量的檢測器件。傳感器技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，無論是在航空航天等高精尖領(lǐng)域，還是在日常生活中都不可或缺，傳感器技術(shù)是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)，與通信技術(shù)、計算機技術(shù)等一樣是信息時代的重要標志技術(shù)。實驗教學是熟練掌握傳感器與檢測技術(shù)原理和性能的一個重要步驟，因而做好傳感器與檢測技術(shù)實驗課程教學十分重要[1-9]。

光纖傳感器是伴隨著光纖通信技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的一門技術(shù)。光纖傳感器具有高靈敏度、頻帶寬、動態(tài)范圍大；易于實現(xiàn)數(shù)字傳輸與遙測和控制；對于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境不敏感等特征。因而可廣泛應(yīng)用于測量聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動量、位移、液位、流量、電流、輻射等多種物理量[10-12]。

1 光纖位移傳感器實驗步驟

有多種不同廠家型號的傳感器系統(tǒng)綜合實驗裝置供傳感器與檢測技術(shù)等課程實驗教學之用，利用這些多功能、動手型的綜合實驗裝置，很方便開展傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)課程的實驗教學。

光纖傳感器按其工作原理來分有功能型和非功能型兩類。功能型光纖傳感器的光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測量的功能，主要利用外界物理因素改變光纖中光的強度、相位、偏振態(tài)或波長，從而進行測量和數(shù)據(jù)傳輸。而非功能型的光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。比如光纖位移傳感器、光纖測溫傳感器、光頻率調(diào)制型光纖傳感器等。

反射式光纖位移傳感器是非功能型光纖位移傳感器的一種，其原理如圖1和圖2所示。光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并組成光纖探頭，另一端兩支分開分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收。

在一定的距離范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換器接收到的光與反射面到光纖探頭距離有正比關(guān)系，但當?shù)竭_最大值點后又隨兩者的距離增加反而減小。反射式光纖位移傳感器可以對位移進行非接觸式測量，具有探頭小、響應(yīng)速度快、測量線性化、抗電磁干擾等優(yōu)點。

圖1 Y型結(jié)構(gòu)光纖

光纖傳感器位移性能實驗的主要實驗操作步驟如下[13]。

1)利用光纖傳感器位移實驗?zāi)K按圖2安裝光纖位移傳感器和螺旋測微器、Y型光纖。光纖探頭對準鍍鉻反射面，調(diào)節(jié)光纖探頭端面與反射面平行，距離合適。然后接通電源預(yù)熱一段時間。

2)將測微頭起始位置調(diào)到合適處，手動使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定螺旋測微器。

3)實驗?zāi)K從主控臺接入電源。

4)將模塊輸出“Uo”接到直流電壓表(20 V擋)，調(diào)節(jié)電位器Rw旋鈕使電壓表顯示為零。

5)按照使反射面與光纖探頭端面距離增大的方向旋動螺旋測微器，每隔0.1 mm讀出一次輸出電壓u值，將數(shù)據(jù)填入表1中。實驗中要注意螺旋測微器頭的精細位移以及輸出電壓的讀數(shù)。

圖2 光纖位移傳感器與實驗?zāi)K安裝

2 實驗數(shù)據(jù)處理與作圖

實驗數(shù)據(jù)處理與作圖是實驗后完成實驗報告的一個環(huán)節(jié)，學生往往不夠重視。在教學中，學生通常采用坐標紙繪圖處理數(shù)據(jù)，但是比較耗費精力，效果也不太好，這也是學生完成實驗報告耗時較長的主要原因。通過引導(dǎo)學生采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，可以很方便高效地處理數(shù)據(jù)與作圖。

表1所示為一組課堂實驗數(shù)據(jù)，可采用Excel方便地完成數(shù)據(jù)處理和作圖等功能。

表1 光纖傳感器位移與輸出電壓實驗數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)處理與繪圖

運行Excel軟件(以2003版為例)，選取線性段較好的區(qū)間0～1.6 mm之間的數(shù)據(jù)，在A、B兩列分別輸入位移和電壓實驗數(shù)據(jù)，然后按如下步驟進行處理。

1)在下方選取一空白單元格，點擊菜單“插入函數(shù)”并且選擇“Slope”，分別選取兩個坐標軸上需要進行線性擬合的數(shù)據(jù)，得出線性擬合直線的斜率k值。

2)同樣再在另外一個空格內(nèi)，利用插入“Intercept”函數(shù)并且選定數(shù)據(jù)，求出線性擬合直線的截矩b。

3)在C列通過插入公式，計算擬合直線u=kx+b的對應(yīng)擬合點值，并且在D、E列分別通過插入公式計算測量值與擬合點值之間的誤差值和誤差絕對值。

5)點擊“插入”→圖標欄中的“散點圖”，并從中選出“平滑線散點圖”。

6)點擊“下一步”，出現(xiàn)數(shù)據(jù)對話框后點擊“系列”，添加序列1，命名“光纖傳感器”，選擇并導(dǎo)入A、B列的x、u值；然后添加序列2，命名“擬合直線”，選擇并導(dǎo)入A、C列的x、u值；點擊“下一步”，完成填入坐標軸名稱等輔助工作；點擊“以對象插入”并單擊“完成”。

2.2 實驗結(jié)果

計算結(jié)果如表2所示，計算可得靈敏度k=2.496 324 V/mm，b=-0.042 16，擬合直線方程為u= 2.496 324x-0.042 16，實驗測量數(shù)據(jù)的非線性最大偏差umax=0.06 V，非線性度δ為1.53%。依據(jù)前述步驟得到如圖3所示繪圖。實驗對該傳感器在選定測量范圍內(nèi)的靈敏度、線性度和非線性誤差等特性進行了實驗測試和驗證。結(jié)果表明該傳感器在一定測量范圍內(nèi)，非線性誤差較小。

表2 實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖3 傳感器輸入輸出關(guān)系與線性擬合直線

3 結(jié)束語

針對傳感器與檢測技術(shù)實驗教學中，由于實驗數(shù)據(jù)較多，結(jié)果處理環(huán)節(jié)中數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜和煩瑣，影響教學效果，在積極引導(dǎo)部分學生采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理后，明顯提高了實驗報告的質(zhì)量，減少了完成實驗報告的時間，取得了較好教學效果，也更好地完成了實驗課程教學的任務(wù)。