光纤位移传感器最后一部分.docx

重庆三峡学院传感器课程设计（论文）题目光纤位移传感器院系机械工程学院专业机械设让指导及其自动化班级2010级机械3班姓名杨丰学号201007024107指导老师吴光杰职称教投完成设计（论文）时间2012/12/25摘要3关键词31引言32光纤传感器32. 1光纤传感器的原理和特点32.2光纤传感器的发展43光纤43.1光纤的特点43. 2光纤的应用54内光电效应54.1内光电效应基本原理64. 2内光电效应特性65光敏电阻65. 1光敏电阻特性65.2 光敏电阻的伏安特性测量65.3 光敏电阻种类75.4 光敏电阻的主要参数76光纤位移传感器的基本构造77试验步骤88留意事项99问题与处理910结论9光纤位移传感器杨丰重庆三峡学院机械工程学院机械设计制造及自动化专业2010级重庆万州1001.OO摘要：反射式光纤位移传感器由于具有原理简洁,实现简洁,工作军拿等诂多优点而受到越来越广泛的重视。本文将我述光纤传感器和光纤位移传感器的基本原理和好点,它是由于内光电效应,反射光照在光敏元据件光他电双上引起电阻变更，再依据电区的变更来%定物体的实际性移，并了解光钎传感器的套本构迨.关键词：光纤位移传感然内光电效应光敏电用光纤传感潜1引言本文着力于探讨光纤位移传感;的基本原理和构造.它主要有光纤.光敏元件组成,洋细原理是光源发出的光经过光纤传输后投射到被测表面上，光从被测表面反射后又被此光纤接收，经光电器件转换成电信9,经前祝电路进行信号转换并放大，泄除啖泮和模数转换后送入微机进行各种处埋.当位移X不同时,光纤所接受的反射光强不问，所转换成的电信号的大小也就不同，从而便可测出位移X的大小2光纤传感器2.1 光纤传感器的原理和特点测量的目的是为了获得探讨对象的有关信息，并诳行相应的处理，然后再去限制对象，完成这一功能性操作即为传感技术.传感技术是现代信息社会的神经中枢它对将来经济和科学技术的发展起着非常重要的促进作用.因此,胃遍认为，传感技术的发展程度,水平凹凸是衡盘一个国家科学技术先进水平的重要标记之一光纤传感器的基本工作版理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、豚!率、相位、偏正态等）发生变史.称为被调制的信号光.在经过光纤送入光探测器,经解调后获得技测参数.近年来,传感器花朗莉灵版,精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青咪.光纤具有许多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、脑软、IR圻轻的机械性能：绝缘、无逑应的电气性能：耐水、耐高温、耐腐独的化学性能等,它能鲂在人达不到的地方（如高温区）,或拧对人有害的地区（如核辐射区）,起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息.随希密集波分复用DMDM技术、掺钿光纤放大涔EDFA技术和光时分复用OTIffi技术的发展和成熟，光纤通信技术正向卷超高.速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进，在光通伯迅猛发展的带动下，光纤传那器作为（4感器家族中年轻的一员，以其在抗电底干扰、灵巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已快速成长为年成交额超过10亿美金.并预料将于2（HO年拥有超过50亿美金市场的产业.每年内美国光学工程师学会SSR主办的光纤传感国际会议OFS）刚好报道着光纤传感领域的最新进展.并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨.特点：灵敏度较高几何形态具有多方面的适应性,可以制成的意形态的光纤传感器可以制造传好各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件：Ur以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境：而且具有与光纤通测技术的内在相容性。2.2 光纤传感器的发展近年来,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展.在这一过程中，光纤传感器这个传盘器家族的新成员倍受有眯。比纤具有许多优异的性能，例如：抗电毡干扰和原子辐射的性能，径细、质软、虫麻轻的机械性能：绝缘、无适应的电气性能：耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等.它旎修在人达不到的地方（如高强区，或者对人有害的地区（如核料射区）,起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息作为一种物理装置或生物器官.传感器能感受到被测量的侑忠并能将检测感受到的信息，按肯定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出以满意信息的传输、处理、存谛、显示、记录和限制等要求，随箭新技术革命的到来,世界起先进入信息时代,在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获得精确军拳的信息，而传感器是获得自然和生产领域中信息的主要途径与手段，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和限制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态.并使产品达到最好的质量.因此可以说,没有众多的优良的传厚器，现代化生产也就失去了基础，近年来，传呼潺始终朝着灵桃,精确'适应性强、小巧和智能化的方向发展，在这一过程中，光纤传博器这个传整器家族的新成员却是倍受青睐.光纤具有许多优异的性能.例如：抗电磁干扰和原子相射的性能,径细、质软、重Ift轻的机械性能：绝缘、无礴应的电气性能：耐水、耐而温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区或者对人有力的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还能翊越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息.光纤传感器以后的发展趋势是：加速光线传感器的好用型进程：大力开展光纤传序技术的集成化探讨：主动开展多功能光纤传感及其网络化的探讨，以及不断推出新型光纤传感器并开拓新的应用领域.3光纤3.1光纤的特点光导纤维与光纤传感器的做原理光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质,如图所示,它是由高折射率的纤芯和包层所加成，包层的折射率小于纤芯的折射率,巨径大致为O.Inun-O.2丽，当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光战的完全内反射光反射网纤芯层.这样羟过不断的反射，光线就能沿街纤芯向前传播,由于外界囚素（如温度、压力、电场、磁场'振动等对光纤的作用,引起光波特性参量（如振幅、相位、偏振态等）发生变史.因此人们只要测出这些参妓随外界因素的变更关系,就可以通过光特性参fit的变更来检测外界因素的变更，这就是光纤传感涔的基本工作原理3.2光纤的应用光纤弯曲也能传光,所以.光导纤维为光学斑视（传光、传像和光通信的实现创建了良好的条件.光纤主要应用于通信，把要传递的信号调制成光信号沿光纤传递出去，在接收跳再把光信号解调就得到了原信号.光纤通信已成为现代通信的主要支柱之一.它具有容量大,能耗低灵敏度高，抗干扰保密性能好等优点.光纤松软，体枳小，重量轻，运用寿命长。一条细如发丝的光纤，可转代25万条标准的钢质电缆战，一条光缆可以同时传送一万余路电话、上套电视节目，光纤通信是建立综合业务数字网（ISDW不行缺少的技术手段.它不仅可以在陆地上运用，而旦被广泛用于海洋.IW.涔越大西洋、北太平洋的海底光雉已投入运用，这些越洋光畿几乎可以把弗个地球环绕起来.我国的光纤通信产业发展非常快速，国内各大城市及西南、西北等边远地区都己敷设了光纤逸伯戏路.国内巨大的光纤通信网络已初步形成.总长4万k*由全球92个国际公司投资的全世界最长、最大的国际通信光纤海控"法新欧亚三号”,已于2000年投入运用.我国参加了这条海缆的投资并在上海和汕头设有登陆点。目前，光纤通信已实现全世界计算机联网，今I的电子吃件（E-mai1.）通过国际互联网（Internet）已经把世界各地联结起来.随著网络的普及和发展，光纤通信已进入人们的工作、生活,并将为招来的社会生活带来巨大的变更.光纤不仅在通信技术方面取得显著成就，在传送电能方面也具有独特的优点,假如能实现利用Jt纤传输电能，将能大大降低电网的造价，不仅平安军，而且能节约有色金属，廷长电网运用周期.4内光电效应1.1 内光电效应原理当光照耀到半导体去面时，由于半导体中的电子汲取了光子的能使电子从半导体表面逸出至四周空间的现象叫外光电效应,利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等.内光电效应是光电效应的一种，主要由于光盘子作用，引发物被电化学性质变更（比如电阻率变更，这是与外光电效应的区分，外光电效应则是送出电子内光电效应又可分为光电导效应和先生伏特效应.光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时.半导体汲取入射光子产生电子空穴对.使其自生电导增大.光生伏特效应：当肯定波长的光照耀非匀称半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压.光照耀到半导体或绝域体的表面时,使物体内部的受束缚电子受到激发，从而使物体的导电性能变更。这就林为内光电效应。明显照1的辅射通质愈大，则被激发的电子数愈多，该物体的电阻值就变的愈小。4. 2内光电效应的特性半导体材料的价带与导带间有一个带隙，其能量间隔为EfC。一般状况下,价带中的电子不会自发地跃迂到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体,但假如通过某种方式给价带中的电子供应能感就可以将其激发到导带中，形成我流子,增加导电性”光照就是一种激励方式.当入射光的能IfthVNEg（Eg为带隙间隔）时.价带中的电子就会汲取光子的能fit班迁到导帝,而在价借中留下一个空穴，形成一对可以杼电的电子空穴时.这里的电子并未逸出形成光电子,但明显存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和试验结果分析，要使价带中的电子跃迁到导带，也存在一个入射光的极限能量，呻E=hVO=Eg,其中v是低翔限（即极限频率vO-Egh）.这个关系也可以用长波限表示,即0=hcI.入射光的频率大于VO或波长小于时,才会发生电子的带间¥大迁。当入时光能埴较小，不能使电子由价带跋迁到导带时,有可能使电子汲取光能后，在一个能带内的亚能级结构间跃迁。5光敏电阻5.1光敏电阻特性光般电FH又称光导管，常用的制作材料为硫化幅，另外还有硒、硬化铝、破化铅和硫化银等材料.这些制作材料具有在特定波长的光照耀下.其比值快速减小的特性.这是由于光照产生的率流子都参加导电,在外加电场的作用下作源移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极，从而使光放电阻器的阻伯快速下降，通常由光敏层、破a施片（或树枝防潮膜）和电极等祖成的.光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种抬别电阻器,对光线非常敏懑,它的电阻伯能随者外界光照演弱（明暗）变更而变更。它在无光照就时，呈尚阻状态：当有光照解时，其电阻值快速减小.广泛应用于各种自动限制电路（如自动照明灯限制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调整,照相机的自动以光限制等）及各种测症仪器中5. 2光敏电阻的伏安特性测量图1光敢电阻伏安特性测试电路依据光敏电阻的伏安特性测状得出：在甘定光避下，光板电阻的光电流与光电压成线性美系，1.电压的增大而增大,并且，光强越大，其地长越快.5. 3光敏电阻器种类1）按制作材料分类:多品和单晶光敏电阻器，还可分为硫化锅CdS）,硒化镉（CdSe）、琉化铅（PbS）,硒化铅（PbSe）、睇化锢（InSb）无敢电阻器等，2）按光谱特性分类：可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动限制系统、电子照相机、光报科等地.紫外光光放电阻器：主要用于特外线探测仪潺.红外光光敢电阻器：主要用于天文、军步等领域的有关自动限制系统.5. 4光敏电阻器的主要参数1）亮电阻：指光敏电阻器受到光照耀时的电阻值2）咯电阻：指光敏电阻潺在无光照楸（果哈环境时的电阻值.3）最高工作电压；指无敢电阻器在额定功率下所允许承受的母裔电压-1）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照耀时所通过的电流.5）暗电流：指在无光照耀时,光敏电阻器在规定的外加电JK下通过的电流.6）时间常数：指光敢电阻器从光照跟变起先到他定亮电流的63%时所需的时间.7）电阻温度系数：指光收电阻器在环境温吱变更IC时，其电阻值的相对变更.8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照雄和无光照耀时电阻值的相对变更.6光纤位移传感器的基本构造反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器，其原理如图1所示：光纤果纳Y型结构，两束光纤一Jffi合并在一起组成光纤探头,另一掂分为两支,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，射向反肘片,再被反射到接收光纤,最终由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位词确定后，接收到的反射光光覆的光纤探头到反射体的距离的变更而变更,明显，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零.随着光纤探头离反射而距窗的增加，接收到的光强渐渐增加，到达最大低点后乂曲两齐的卵离增加而减小光电转装电府AD纤典电篇1.CD1.602/Ia显示图1；基于反射式光纤位移传感器的位移测量系统框图如图2所示；光纤果热丫型结构，两束光纤一堆合并在一起祖成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤.图3所示就是反射光纤位移传感器的输出特性曲线,利用这条特性曲城可以通过对光强的检测得到位移量.反射式光纤位移传感器是一种非接触式测盘.A有探头小，响应速度快，测陋规性化（在小位移范国内）等优点，可在小位移范国内进行高速位移检测.用2反射式M痔传接；8家耳2.0«3反射式光纣位楼W够N的3出找性7 .试验步骤视察光纤结构：一支放射、另一支为接收的多模光纤为半网形结构光纤质量的优劣可通过对光照耀视察光通班得出结论。光电传感器内放射光源是近红外光,接收近红外信号后经枪阴及放大，推断光电变换怒中两个安袋孔位置详细为放射还是接收可采纳如以下方法：将光纤变换踹电压墙出端接电压表给人端.光电变换块四芯航空插头接入光纤变换器四芯插座，将双支光纤的其中一根插入光电变换块中的一孔，视察电压衣输出状况将接通电源的红外发光管靠近光纤探头，如VO端有电压输出则此孔为接收放大培，如单独插入另一孔，光纤探头毒近接通电源的红外光敏三极管,探测电路动作则说明此孔为红外光源放射.将两根光纤均滨入光电变换块.奘入时留遨不要过分用力,以免影响到变换块中光电管的位置,分别将光纤探头置于全电无反射和时池较强光源的照耀，光纤变换器输出电压应分别为零和最大值。8 .留意事项光纤三端面均羟过精密光学她光,其崩面的光滑度干脆会彬响光源损耗的大小,需细致爱护.禁止运用硬物、尖蜕物体碰触,遇脏可用镜头纸擦拭.如非必要.最好不要自行拆卸,视察光纤结构肯定要在试验老府的指导下进行.9 .问题与处理在做这个传感器前，遇到了相当多的问麹。刚起先也是由于不清断装置的基本原理，导致无从下手，更不知道该买那些零件。后来，协作指导我们的吴老师，一起探讨了一下步骤，起先蓿手买器材，买回来后，乂遇到一些困难,光纤型号不对，无奈之下，在网上查找了一些相关资料.并在网上询问了一些专家,最终把必要的零材买回来.最终.依据原理.相传感器顺当做胜利10 .结论在这次课程设计的过程中,使我对光纤位移传感器的理斛更加深刻，还学会了如何自己动手谀计传感器.自己去查找相关的资料，并且利用所学过的专业学问，自己动手把买来的试验器件焊接上去，每一个步骤都必需做好，不然很可能使得元器件损坏，在初步设计好装设后再调整，一步步的修正,最终达到胜利.这次课程设计试脸不仅仅是一次试验,给我们带来了许多难能珍货的动手阅历，使得以后在设计的问题上更加明确方法与目的，参考文献1吴广杰，王海宝.传感器与检测技术Hi庆：曲庆高校出版社.2011年.2明伯年,俞朴.传感器技术.陶京：东前高校出版社，1999年.3徐洁.检测技术与仪表.北京：清华高校出版社.2004年.Optica1.fiberdisp1.acementsensorYangfengChongqingthreegorgesco1.1.egeinstituteofmechanica1.engineering,mechanica1.design,manufacturingandautomation1.eve1.2010wanzhouChongqing400100Abstract:Theref1.ectiveoptica1.fiberdisp1.acementsensorbecauseofitssimp1.eprincip1.e,rea1.izeeasy,re1.iab1.ework,andmanyotheradvantagesandgetsmoreandmoreextensiveattention.Thispaperwi1.1.out1.inetheoptica1.fibersensorandoptica1.fiberdisp1.acementsensor,sbasicprincip1.eandcharacteristics,anditisduetointerna1.photoe1.ectriceffect,ref1.ectingthe1.ightshinesinthephotosensitivecomponentsphotosensitiveresistancecausedbychangesinresistance,accordingtothechangeofvo1.tagetodeterminetheobjectoftheactua1.disp1.acement,andunderstandthebasicstructureofoptica1.fibersensorKeywords：optica1.fiberdisp1.amentsensorthephotoe1.ectriceffectphotosensitiveresistanceoptica1.fibersensor