1、光纖位移傳感器工作特性及其辨別真假鈔票的應用曾鈺山東大學 電氣工程學院 山東 濟南 201305191217一摘要：基于光的反射原理并結合光纖傳感器的特點，設計了反射式光纖位移傳感器應用設計性實驗利用反射式 光纖傳感器測量微小位移的原理，通過測量輸出電壓與位移的關系確定工作點，測得表面柤糙程度不同的真假鈔的輸出信號，從而實現對紙幣的真假識別 二關鍵詞：光纖；傳感器；線性區；工作特性；位移；波信號；三引言：光纖在通信、圖像傳輸等方面有著廣泛的運用.其實，光纖傳感器在工農業、科研等領域有著更為廣泛的應用.光纖位移傳感器是利用光纖的轉換功能或傳輸功能而研制的傳感器.光纖的傳輸特性對某些外界條件的變換

2、（如壓力、應變、溫度和電磁場等）較為敏感.與其它機械量相比，位移是既容易檢測又容易獲得高精度的檢測量，所以測量中常采用將被測對象的機械量轉換成位移來檢測的方法.例如將壓力轉換成膜的位移；將加速度轉換成重物位移等；而且這種方法結構簡單，所以位移傳感器是機械量傳感器中的基本傳感器.因此，利用具有獨特優勢的光纖傳感技術的位移測量越來越受到人們的重視.本實驗正是利用光纖位移傳感器對微小位移的敏感感知，由于假鈔沒有凹版印刷，而真鈔有凹版印刷，因此將真假鈔分別放在傳感器的探頭下時，傳感器反饋的電壓值是不盡相同的.四光纖位移傳感器光纖位移傳感器可以分為傳光型光纖傳感器和傳感型光纖傳感器兩類，我們研究的是傳光

3、型光纖傳感器.（一）光纖的基本結構單根光導纖維的結構如圖所示，它由纖芯、包層及保護套組成.纖芯為直徑很小的圓柱形透明電解質纖維（某種玻璃或塑料）制成.環繞纖芯的是一層圓柱形套層，稱為包層.它由折射率與纖芯略有不同的玻璃或塑料制成，然后用一層保護套將他們包覆.光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性能，光線的強度有保護套來維持，使用時將幾根或多更光纖沿長度方向封裝在一起，稱為光纜.（二）光纖位移傳感器工作原理如圖所示為光纖位移傳感器測量原理圖.一束多股光纖（光源光纖）將光源發出的光投射到被測物體表面上，另一束多股光纖（接收光纖）用于接收被測物體表面反射回來的光.兩股光纖匯合處用有機玻璃固封，稱作光纖位

4、移傳感器的探頭，反射光經接收光纖、光電轉換元件轉換成電壓信號后輸出.輸出電壓的強弱決定于反射光強的大小.當光纖位移傳感器探頭的端口緊貼反射面時，光纖光源的出光口被擋住，接收光纖接收不到反射光，因此無電壓信號輸出.隨著反射面逐漸遠離光纖探頭端口，反射面被光纖發出的光照亮的區域越來越大，發射光錐與接收光錐重合的面積越來越大，因而接收光纖端口處被反射光照亮的區域越來越大.傳輸到光敏元件上的光強逐漸變大，傳感器輸出的電壓信號也隨之變大.當反射面移到某一位置時，接收光纖的整個端口被全部照亮，因而輸出電壓大最大值，稱為“光峰點”.此后當反射面繼續遠離時，盡管接收光纖的整個端口仍然被全部照亮，由于單位面積內

5、反射光的強度在減少，因此隨距離的增大，傳輸到光敏元件上的光強越來越小，傳感器輸出的電壓值也越來越小，輸出電壓與距離的關系如圖所示，光峰點之前的區域稱為上升沿，光峰點之后的區段稱為下降沿，在上升沿和下降沿，各有一個區域，輸出電壓與位移呈線性關系.但上升沿斜率比較大，意味著電壓對位移的變化比較敏感，靈敏度高，故本實驗利用該區段測量微小直線位移.實際上輸出電壓的大小不僅與傳感器端口到反射面的距離有關，還與光源的發光強度、反射物體表面的反射率、電路增益、光路效率、光電轉換效率等因素有關.因此每臺儀器的光電轉換器都是與儀器單獨調配的，不要互換使用.當上述因素一定待測物體表面的反射率一定時，電壓的大小只是

6、位移的函數.當傳感器端口到反射面的距離保持一定時，輸出電壓與反射面的反光能力有關.比如不同粗糙度的表面、不同光澤度的表面，其表面反射光的能力不同，會得到不同的輸出電壓，因此，該類型的傳感器還可以測量物體表面的粗糙度、光澤度等.5 關于實驗（一）實驗器材CSY10型傳感器系統實驗儀，塞尺，待測工件，新的真假鈔若干，導線等.（二）實驗內容 （1）測定光纖位移傳感器的工作特性曲線觀察光纖位移傳感器的結構，了解振動臺在實驗儀上的位置（實驗儀臺面上右邊的圓盤）.將工件放到圓臺上，其表面用作反光面.光纖傳感器探頭對準反光面后，固定在支架上.因為光電轉換器已安好，所以可將電壓信號直接送入電壓/頻率表，電壓/

7、頻率表的切換開關置于2V擋，供電電壓置于±2V擋，將光電變換器電路的增益調節到最大（順時針向轉動“增益”按鈕），開啟電源主副開關.使光纖傳感器探頭與反光面良好接觸，盡量使電壓表的讀數為零.若讀數過大，應調節探頭的取向.此時，傳感器端口與反射面的距離X為零.順時針方向旋轉測微儀，每隔0.250mm讀一次電壓表的數值，將其填入表一，計算V=Vi+1Vi（2）測定儀器的靈敏區、線性區表一中，有幾組V的值比較大，表明該范圍內電壓對位移的變化敏感在儀器的靈敏區，每隔0.100mm重復實驗內容一中的測量，將數據填入表二，若靈敏區比較小，可減小每步測量間隔，以獲得比較多的數據.計算V，找出其中線性

8、好的區域.（3） 光纖位移傳感器的應用 利用光纖位移傳感器對微小位移的靈敏感知，根據真假鈔分別有無凹板印刷，將電壓先調整到光線位移傳感器靈敏區的中間位置，先依次放入幾張真鈔，得出電壓值U11，U12，U13，U14.再將電壓調整到靈敏區中間位置，放上幾張假鈔，得到電壓值U21，U22，U23，U24.六 注意事項（1）實驗室請保持反射面的清潔和與光纖探頭端面的垂直度；（2）工作時光纖端面不宜長時間直接照射強光，以免內部電路受損；（3）注意背景光對實驗的影響，避免強光直接照射反光表面造成測量誤差；（4）切勿將光纖折成銳角，保護光纖不受損失；（5）每臺儀器的光電轉換器都是與儀器單獨調配的，請勿互換

9、使用；（6）光纖探頭在支架上固定式時，應保持氣端口與反光面平行，切不可相互摩擦，以免使光纖探頭端面受損.七實驗結果表（1）X/mm0.2500.5000.7501.0001.2501.5001.7502.000V/V0.1210.2220.2990.3990.4750.5350.5810.611V/V0.1210.1010.0770.1000.0760.0600.0460.030x/mm2.2502.5002.7503.0003.2503.5003.7504.000V/v0.6280.6330.6270.6140.5920.5690.5360.508V/V0.0170.005-0.006-0.

10、013-0.022-0.023-0.033-0.028x/mmx/mm4.2504.5004.7505.0005.2505.5005.7506.000V/v0.4760.4490.4180.3920.3660.3460.3200.302V/V-0.028-0.027-0.031-0.026-0.026-0.020-0.026-0.017x/mmx/mm6.2506.5006.7507.0007.2507.5007.7508.000V/v0.2810.2660.2480.2320.2200.2120.2080.202V/V-0.022-0.015-0.018-0.016-0.012-0.008-

11、0.004-0.006表（2）x/mm00.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.900V/v00.0480.0970.1410.1800.2160.2540.2900.3280.367V/V0.0480.0490.0440.0390.0380.0360.0360.0380.039x/mm1.0001.1001.2001.3001.4001.5001.6001.7001.8001.900V/v0.3960.4240.4510.4770.4950.5140.5920.5600.582V/V0.0290.0280.0270.0240.0180.0190.0180.0180.022 光線位移傳感器工作特性曲線 V/v x/mm八.實驗結果1.用表一中數據在毫米坐標紙上作 關系曲線，找出滿足線性方程式 的區域.2.由表一知儀器的靈敏區大約在00.582之間，線性區大約在0.180v0.367v之間；靈敏區的斜率3.對U11，U12，U13.取平均值，得U1，對U21，U22，U23，U24取平均值，得U2.之后將真假鈔混合，依次放入，根據其電壓值不同，與U1，U2進行對比，判斷其為真/假鈔. 九參考文獻1呂鵬;李恩邦;王瑋;張晨亮;唐春曉;光纖多模干涉應變傳感器的數值模擬及實驗研究J;傳感技術學報;2