射式光强位移传感器测量纸张厚度

1　引　言

反射式光强位移传感器的工作特性曲线如图1所示,曲线上有两个线性区,其中处在上升沿的线性区比较陡,意味着在该范围内光强对位移的变化很敏感,通常被用来测量微小位移量[1]。本实验利用传感器的这个特点测定纸张厚度。

2　原　理

　　传感器接受到的光强随传感器探头到反光面距离的改变而变化,经光电变换器件转变为直流电压或电流信号后由电路输出。设仪器接受到的电压[2]为U

式中:σ为反光表面的反射率;I0为光源发光强度;α为光电转换效率;ξ为电路增益;η为光路效率;Z为反射面到传感器探头端口的距离。

可见U的大小受多个因素影响,当σ、I0、α、ξ、η一定时,电压就只是Z的函数。

3　实验设计

3.1　仪器性能分析

评价传感器性能好坏有以下几个指标[3,4],如线性度、重复性、滞环、灵敏度、分辨力、静态误差、稳定性、漂移等。其中一些量与电路有关,另一些量与光纤在探头中的排布有关[2,5]。对一台光纤传感器而言,当工作条件一定时,可认为I0、α、ξ、η是不变的。这样一来,σ对测量的优劣起重要作用。

3.2　措施

采用浙江大学仪器系检测技术研究所生产的CSY10型传感器系统实验仪作为检测设备,将Φ30mm30#圆钢,切割成约8mm厚的柱体,上下表面磨平行,抛光,上下表面平行度//0.03mm,表面粗糙度Ra0.2μm[6],得到上下表面平行且反射率基本一致的试件,以能满足电压只是Z的函数。该试件用作反光面。

3.3　实验过程

将纸切片后放到试件与基面之间,如图2所示。显然,计算一张纸厚度的公式为

式中Z1、Z2为放纸前、后反射面到传感器探头端口间的距离,通过传感器可转变为电压值表示出来。N为纸的张数。

3.4　实验数据

实验测出所用传感器的电压-位移数据列在表1中,ΔU为每增加100μm时电压的增量,其线性范围大致在200~600μm范围内,该区间内电压与位移的关系可写为

　　用MATLAB对200~600μm范围内的测量数据进行线性拟合[7],图3中“+”为试验点,“o”为计算点,计算得出所用传感器工作特性曲线斜率为5.72×10-2V·μm-1,相关系数R=r2=1.000。因此,该范围确实可视为线性区。样品为某厂家的打印纸,纸张页数与电压值的对应关系列在表格2中,表格里U1对应于无纸时的电压值,U2对应于放纸后的电压值,Z0为由(4)式得出的一张纸的厚度。

　　计算得出一张纸的平均厚度为99.6μm。

4　总　结

(1)传感器工作特性曲线的斜率为5.72×10-2V·μm-1,表明电压对位移的变化量很敏感。该区域中,相关系数为1.000,说明该范围内仪器的灵敏度、线性都较高,可用于准确测量微小长度。