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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 机械设计指导及其自动化 班 级 2010级机械3班 姓 名 杨 丰 学 号 201007024107 指导教师 吴光杰 职称 教授 完成设计（论文）时间 2012/12/25 目 录摘要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 实验步骤88 注意事项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400100摘要：反射式光纤位移传感器由于具有原理简单,实现容易,工作可靠等诸多优点而受到越来越广泛的重视。本文将概述光纤传感器和光纤位移传感器的基本原理和特点,它是由于内光电效应，反射光照在光敏元器件光敏电阻上引起电阻变化，再根据电压的变化来确定物体的实际位移，并了解光纤传感器的基本构造。关键词：光纤位移传感器 内光电效应 光敏电阻 光纤传感器1 引言本文着力于讨论光纤位移传感器的基本原理和构造。它主要有光纤，光敏元件组成，具体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号,经前置电路进行信号转换并放大, 滤除噪声和模数转换后送入微机进行各种处理。当位移X 不同时,光纤所接受的反射光强不同, 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研究对象的有关信息，并进行相应的处理，然后再去控制对象，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，它对未来经济和科学技术的发展起着十分重要的促进作用。因此，普遍认为，传感技术的发展程度，水平高低是衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一 光纤传感器的基本工作原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、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。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，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、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。随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光时分复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时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 几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器 可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境； 而且具有与光纤遥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，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、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作为一种物理装置或生物器官，传感器能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取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控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感器，现代化生产也就失去了基础。 近年来，传感器一直朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员却是倍受青睐。 光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、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害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，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。 光纤传感器以后的发展趋势是：加速光线传感器的实用型进程；大力开展光纤传感技术的集成化研究；积极开展多功能光纤传感及其网络化的研究，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一般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组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为0.1mm0.2mm。 当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播。 由于外界因素（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）发生变化。因此人们只要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化，这就是光纤传感器的基本工作原理3.2光纤的应用光纤弯曲了也能传光，所以，光导纤维为光学窥视(传光、传像)和光通信的实现创造了良好的条件。 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，在接收端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。光纤柔软，体积小，重量轻，使用寿命长。一条细如发丝的光纤，可替代25万条标准的铜质电缆线，一条光缆可以同时传送一万余路电话、上千套电视节目。光纤通信是建立综合业务数字网(ISDN)不可缺少的技术手段。它不仅可以在陆地上使用，而且被广泛用于海洋。目前，跨越大西洋、北太平洋的海底光缆已投入使用，这些越洋光缆几乎可以把整个地球环绕起来。我国的光纤通信事业发展十分迅速，国内各大城市及西南、西北等边远地区都已敷设了光纤通信线路，国内巨大的光纤通信网络已初步形成。总长4万km、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缆“法新欧亚三号”，已于2000年投入使用。我国参与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，今天的电子邮件(Email)通过国际互联网(Internet)已经把世界各地联结起来。随着网络的普及和发展，光纤通信已进入人们的工作、生活，并将为未来的社会生活带来巨大的变化。 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，如果能实现利用光纤传输电能，将能大大降低电网的造价，不仅安全可靠，而且能节约有色金属，延长电网使用周期。4 内光电效应4.1内光电效应原理当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围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，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化（比如电阻率改变，这是与外光电效应的区别，外光电效应则是逸出电子）。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收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：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压。 光照射到半导体或绝缘体的表面时，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改变。这就称为内光电效应。显然照射的辐射通量愈大，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Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hEg（ Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然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。从理论和实验结果分析,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,即E=h0=Eg,其中0是低频限(即极限频率0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即0=hcEg。入射光的频率大于0或波长小于0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间跃迁。5 光敏电阻5.1光敏电阻特性光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中5.2光敏电阻的伏安特性测量图1 光敏电阻伏安特性测试电路根据光敏电阻的伏安特性测量得出：在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大而增大，并且，光强越大，其增长越快。5.3光敏电阻器种类 1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。 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控制系统、电子照相机、光报警等地。 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。 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射时的电阻值。 2）暗电阻：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3）最高工作电压：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。 5）暗电流：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。 6）时间常数：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63时所需的时间。 7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。 8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。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：光纤采用型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，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。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，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面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小如图所示：光纤采用型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，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，利用这条特性曲线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量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。7. 实验步骤观察光纤结构：一支发射、另一支为接收的多模光纤为半圆形结构，光纤质量的优劣可通过对光照射观察光通量得出结论。光电传感器内发射光源是近红外光,接收近红外信号后经稳幅及放大。判断光电变换器中两个安装孔位置具体为发射还是接收可采用如以下办法:将光纤变换器电压输出端接电压表输入端，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，观察电压表输出情况。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端，如单独插入另一孔,光纤探头靠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发射。将两根光纤均装入光电变换块,装入时注意不要过分用力,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暗无反射和对准较强光源的照射，光纤变换器输出电压应分别为零和最大值。 8.注意事项光纤三端面均经过精密光学抛光,其端面的光洁度直接会影响光源损耗的大小,需仔细保护。禁止使用硬物、尖锐物体碰触，遇脏可用镜头纸擦拭。如非必要，最好不要自行拆卸，观察光纤结构一定要在实验老师的指导下进行。9.问题与处理在做这个传感器前，遇到了相当多的问题。刚开始也是由于不清楚装置的基本原理，导致无从下手，更不知道该买那些零件。后来，配合指导我们的吴老师，一起探讨了一下步骤，开始着手买器材。买回来后，又遇到一些困难，光纤型号不对，无奈之下，在网上查找了一些相关资料，并在网上咨询了一些专家，终于把必要的器材买回来，最终，依据原理，将传感器顺利做成功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解更加深刻，还学会了如何自己动手设计传感器，自己去查找相关的资料，并且利用所学过的专业知识，自己动手把买来的实验器件焊接上去，每一个步骤都必须做好，不然很可能使得元器件损坏，在初步设计好装置后再调整，一步步的修正，最终达到成功。这次课程设计实验不仅仅是一次实验，给我们带来了很多难能可贵的动手经验，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.重庆：重庆大学出版社.2011年.2贾伯年，俞朴.传感器技术南京：东南大学出版社，1999年.3徐洁检测技术与仪表.北京：清华大学出版社.2004年.Optical fiber displacement sensorYang fengChongqing three gorges college institute of mechanical engineering, mechanical design, manufacturing and automation level 2010 wanzhou chongqing400100Abstrac