基于光纤传感器的位移检测设计

基于光纤传感器的位移测量检测系统 目录第一章 绪论11.1 位移检测概述及意义11.2 位移检测技术现状及发展11.3 光纤传感器概述21.3.1 光线传感器的现状及发展趋势21.3.2 光纤传感技术31.3.3 光纤传感器的主要技术指标3第二章 光纤位移传感器方案选择52.1 光相位调制型光纤传感原理52.2 光强调制型光纤传感原理72.2.2 外调制式位移传感器82.3 方案选择10第三章 光闸式位移测量的理论分析113.1 纤端光场分布特性模型理论分析113.1.1 以前的纤端出射光场场强分布公式113.1.2 纤端光场特性及假设113.1.3 纤端光场分布特性数学模型113.2 光闸式光纤位移测量的调制特性133.3小结15第四章 位移检测系统解决方案之光闸式光纤传感器设计164.1 位移检测系统工作原理164.2 可能出现的主要问题164.3 强度补偿方法174.3.1 光路补偿方法174.3.2光源的补偿方法18第五章 位移电路设计205.1 光源及光接受器件205.1.1 半导体光源205.1.2 光探测器205.2 电路设计205.2.1 电源模块205.2.2 光源驱动电路205.2.3 光接收电路225.2.4 后续电路265.2.5 信号处理电路275.3 抗干扰技术305.3.1 空间辐射干扰的抑制305.3.2 印刷电路板的抗干扰305.3.3 A/D转换中的抗干扰305.4 小结30结束语31参考文献32致谢34 第一章绪论1.1 位移检测概述及意义 1.2 位移检测技术现状及发展1.3 光纤传感器概述1.3.1 光线传感器的现状及发展趋势 从1990年至今，世界上研究光纤产业的力度越来越大。和经典传感器相比，光纤传感器具有非常特殊的品质。抗电磁干扰能力强，耐高温高压，能够在许多恶劣条件下使用，例如、原子辐射、易爆、化学腐蚀等，灵敏度高和损耗低的优点让光纤传感器在很多地方派上用场，比如能够构成空间分布列阵及网络，应用于城市管理、环境测控等方面。因此，科学家指出了乐观的市场前景3。 1980年，由于技术不达标，所以在市面上只能见到少量光纤传感器，其原因主要是、可靠性不高。传感器以前用途少，生产的比较少，所以价格较高 4。 从2000开始，人们已经在医学方面利用传感器对人体血液及血压测量。它可应用于小型侵入诊断，如小型外科手术5。除了强度调制型传感器，另外，干涉陀螺仪是一类传感器，用途也比较广泛，它应用于航天航海、机器人工业、发动机及军事方面等方面6。光纤传感器发展趋势：全光纤微型化，多参量实时化，高精度实用化，阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统。图(被测对象的市场份额分布（如图1.1）)给出了各个被测量在OFS领域的市场份额，图(光纤传感器的主要技术分布（如图1.2）)示光纤传感器的主要技术分布7。 图1.1 被测对象的市场份额分布 图1.2 光纤传感器的主要技术分布Fig.1.1 Market share distribution of the measured objectFig.1.2 The main technical distribution of fiber optic sensors1.3.2 光纤传感技术随着光纤传感技术发展，光纤通信技术的发展也蓬勃起来，光波为载体，光纤为介质，接受与传送外界被测量信号的新型传感技术。拥有一些特殊的、其他载体和介质无法比拟的优点。光波抗电磁干扰能力强，容易被接收，能够精准的进行光电转换或电光转换，可以便捷的和发展迅速的现代电子设备和计算机相匹配。 因此，光纤传感技术在绝大多数领域内得到研究和应用，并随之逐步完善和发展。 另一类调制区在光纤之外，这一类为非功能型光纤传感器，它也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器8。它的用途也比较广泛，便于普及，在日常生活中也能用到。1.3.3 光纤传感器的主要技术指标 1.量程 度量工具的分度值与最大值。 2.准确度测量得到的数据与真实值之间的接近程度来反映准确度。3.重复性 反复进行测量一项数据，然后得到数据结果进行分析，这个来回进行的过程就是重复性。 (1.1)4.线性度 用曲线表示传感器特性间的关系和工作属性偏离的大小。 (1.2) 5.迟滞(回差)迟滞就是回差，是传感器的指标。 (1.3) 6.灵敏度 传感器在一定条件下受到外界因素影响，在稳定情况下输出量的比值（即直线的斜率）。7.测量分辨力 测量装置量程的最小刻度。注意不是“分辨率”。是传感器能感受到的被测量的能力的变化的最小范围。第二章 光纤位移传感器方案选择2.1 光相位调制型光纤传感原理当光纤传感器使用相位调制时是利用外界因素引起光波在光纤中相位变化。特点：灵敏度高、灵活多样、对象广泛、对光纤有特殊要求、单模传输。1.应力应变效应 当光波通过光纤所产生的相位延迟： (2.1)其中：=0/n光纤中光的传播波长，0为光在真空中的传播波长。2为光在真空中的传播波长。为光在光纤中的传播常数。如果机械力作用到光纤，光纤的长度、芯径、折射率会发生变化，导致的相位变化可描述为： (2.2) 第一项：应变效应，纵向（轴向）作用 第二项：弹光效应，折射率的变化 第三项：泊松效应，横向作用 2.干涉测量光的相干条件 （1） 两束光必须有相同的频率， 同方向，有稳定相位差。（2） 两束光的振幅要吻合。（3） 光程差不能太大。 3.光纤干涉仪 方便做到精准，动态测试量程广。 假设两束相干光是I1、I2，干涉光强为： (2.3)迈克尔逊（Michelson）干涉仪(如图2.1)图2.1 迈克尔逊干涉仪示意Fig.2.1 Michelson interferometer signal 当进行测量时，分光器B把一束激光分成两束，当这两束光经过参照面M1和目标反射面M2后从原光路回去，而且又一次相遇在分光点O处，这时两束光之间的光程差是： (2.4)公式中子母依次表示：空气折射率，目标反射镜面到分光点的距离，参考反射面到分光点的距离。测量完毕时，移过反射面MZ，被放置在M2的位置。得到两束光之间的光程差： (2.5)从开始到结束，光程差变化： (2.6)每当光程差有一个波长变动，干涉条纹也会随之明暗交替变化一次，于是可以计算测量中和d相对应的干涉条纹改变的次数： (2.7)实验时，选取干涉条纹计数的解决方案，把计数器置零后开始测量，计数器的示值表示测量结束时即为把测长度L相对应的条纹数K，可把（2-7）式改写成： (2.8)式中，=0/n,是光波在空气中的波长。 (Michelson)干涉仪、 (Mach-Zehnder)干涉仪、(Fabry-Perot)干涉仪是一些经常见到被用于测量位移的光纤干涉仪。 用途比较广的干涉仪之一是迈克尔逊Michelson光纤干涉仪。全光纤干涉法拥有和传统分立式干涉仪不相上下的功能，不受外界环境干扰，有较高的测量灵敏度。但量程小，光路结构不简洁，价格昂贵，同时调试费时、费力。图2.2 迈克尔逊光纤干涉仪Fig.2.2 Fiber optic Michelson interferometer2.2 光强调制型光纤传感原理 我们通常把利用内调制式的位移传感器和外调制式的位移传感器称为光强调制型光纤传感器：。 2.2.1 内调制式位移传感器 如图(微弯光纤传感器示意（如图2.3）)所示。物理量（如位移，压力，光强等）变化而引起微弯器发生位移，进而使光纤发生微弯变形，这就是微弯光纤传感器。使模式耦合改变，包层让纤芯中的光部分透入，造成传输损耗9。许多待测物理量都与位移有一定的函数关系，光纤传感器可以利用微弯效应，原理是光强与位移存在函数关系，用微弯效应可以制成光纤位移传感器10。这样导致系统构成复杂，动态量程小，而且使微弯器要求工艺尖端，不便于调试，因此基本不使用这种解决方案。图2.3 微弯光纤传感器示意Fig.2.3 Microbend fiber optic sensor signal2.2.2 外调制式位移传感器 这类传感器包括：反射式和透射式两类11。1.利用反射原理的光纤位移传感器 其光强调制的示意图如图(反射式光强调制示意（如图2.4)所示。图2.4 反射式光强调制示意Fig.2.4 Reflective light intensity signal接收光纤光通量为： (2.9) (2.10) (2.11)式中udtan0与Vdtan0的交集。为漫反射率。通过采取方法，得到与d的关系式： (2.12)式中K、p常数；d0、dm 定值； 与d的关系曲线如图(如图2.5)所示：图2.5d理论关系曲线Fig.2.5-d theoretical curve经过研究和分析，上图曲线可以表示传感器的原理，适作传感器的工作曲线12。2.透射式光纤位移传感器 如图(透射式光纤位移型光强调制示意（如图2.6)所示 位移X（D为芯径直径）图2.6 透射式光纤位移型光强调制示意Fig.2.6 Transmissive optical intensity modulation optical fiber displacement signal (2.13)2.3 方案选择透射式光强调制法测量位移精度较高，但缺点是发射光纤和接收光纤的同轴性要求很高，增加了光纤传感器探头机械加工的难度14；测量范围小，为避免此缺点需在光纤端面上组装光学透镜，以提高光传输效率扩大其动态范围，但大大增加了传感器探头体积16。反射式光强调制法由于其光路不封闭，光纤传感器工作环境照明光线的变化对输出量的干扰使其实验准确度极大地降低15；第三章 光闸式位移测量的理论分析光纤传感器即反射式、透射式、光闸型等三种强调外调的形式，接收光纤、调制器和光源光纤组成强度调制型光纤传感器。与接收光纤有关的光强随外界物理量变化16。3.1 纤端光场分布特性模型理论分析 3.1.1 以前的纤端出射光场场强分布公式Tabai与Asakura17研究了多模光纤出射场的性质，得出平均强度分布为： (3.1)式中，R0为纤芯半径，A0为取决于光源强度的常数，K为常数。与实验不太符合，通用性差。3.1.2 纤端光场特性及假设 图3.1 基膜能流密度的径向分布Fig.3.1 Basement membrane flux density radial distribution可等价近似为在不透明的圆孔表面，用平面波场去90度入射，然后可以形成圆孔衍射。实际更切合两者结合，为分析计算方便，我们作如下假设：3.1.3 纤端光场分布特性数学模型 根据高斯光束半宽定义可得： (3.2)其中，k=2/为波数，把w0=a0 代入式，使 w( z) 和光纤芯半径联系在一起，得： (3.3)根据几何光学有： (3.4)其中，0是光纤的最大出射角，下图(如图3.2)表示了上两式的物理现象。图3.2两种束宽半径所给出的光束半径Fig.3.2 Geometrical optics and beam radius Gaussian beam width beam radius given为了更好地与实际情况符合，引入了函数与参数： （3.5）式中，f(z)为z的函数；f(z)=（z/a0），、为调和参数，其值由实验结果决定。对芯径较粗的多模光纤来说，即p0、q1，因为衍射效应被平均化了。为方便使用，对大芯径多模光纤出射光束的光强分布函数基本形式应为： （3.6）其中， w(z)及 A(z)与光纤芯径、光线的材料、入射光源及光纤结构等因素有关，是待定函数。光通量在z轴方向上任意位置是恒定的，即： （3.7）则光强分布可表示为： （3.8）式中，I0=B0/引入了新的调和参数K=a01-tan0。公式可简化为： （3.9）3.2 光闸式光纤位移测量的调制特性如图(如图3.3)所示图3.3 光闸式调制系统分析Fig.3.3 Shutter-type modulation system analysis有研究可定，大芯径多模光纤（500微米以上），值可取1.5，下式可表示纤端出射光场的光场光强分布：（3.10）式中， (x,y,z )为纤端光场中在(x,y,z)处的光通量密度，I0是光源祸合进发送。光纤的光强，为表征光纤折射率分布的相关系数(对阶跃折射率光纤=1），a0为光纤芯半径，光源与光纤耦合情况有关的调制参数0为光纤的最大出射角19。假设接收光纤使用相同光纤置于发送光纤纤端出射光场中时，那么接收到的光强可描述为： (3.11)式中： (3.12)这里，S是两光纤端面的重叠面积，即纤芯面。光强公式： (3.13)由图（如图3.4）可知： (3.14)由于光斑是圆对称的，所以式中x2+y2=a02，可得x=(a02y2)1/2 ，且a0x，y a0。近似可得： （3.15）于是公式3-14可写为： （3.16）对于固定的z值，w(z)是一常数，又有 (3.17)利用上式可将公式简化为： (3.18)式中， (3.19)为误差函数。图3.4 光闸式调制特性曲线Fig.3.4 Shutter-type modulation characteristic curve3.3小结在此公式的基础上，本章进一步推导出光闸式调制特性的数学模型，为我们的光纤传感位移测量系统的设计打下了坚实的理论基础。第四章 位移检测系统解决方案之光闸式光纤传感器设计4.1 位移检测系统工作原理 位移检测系统的工作原理图（如图4.1）如图所示。 图4.1 工作原理Fig.4.1 Working Principle 进入计算机处理前，带有位移信息的电信号由A/D转换器进行模数转换。最后，计算机采用插值法通过与标定值进行对比就可求得位移参数20。 而且由于半导体光源输出光功率随温度和发光时间而改变，将半导体光源的驱动电路由直流驱动改为方波脉冲驱动，以实现光电调制，并使输出幅值随调制信号变化20。4.2 可能出现的主要问题 光信号通道中被传递的光强发生变化的几率很大，从而引起较大的误差21。1.光路方面 (1)由于光纤弯曲引起的损耗变化； (2)由于机械扰动 ，温度变化引起的光纤的性质的变化。 2.光源方面 (1)发光器件老化，电源不稳定导致的输出光功率的变化。 3.光探测器方面 4.3 强度补偿方法 4.3.1 光路补偿方法 图(如图4.2.1)和图(如图4.2.2)分别给出了标准渐变折射率剖面多模通信光纤（5/125/250，AFC1和AFC2涂覆层) 的微弯损耗特性曲线和本征损耗随温度变化特性曲线22。图4.2.1 光纤弯曲损耗特性 图4.2.2 光纤本征损耗特性Fig.4.2.1 Fiber bending loss characteristicsFig.4.2.2 The intrinsic properties of the fiber loss 这样光信号尽管不共路，但各自的信号通道及所处的环境温度和其它条件可看作近似相同，故称其为“准共路”(如图4.3)23。图4.3 双光纤参考基准通道实现“准共路”方法Fig.4.3 Reference standard dual fiber channel to achieve quasi-common path approach于是两探测器所接收到的光信号可分别表示为： （4.1） （4.2） 当为准共路时，近似的有： （4.3） （4.4） （4.5） 于是式4.2可化为： （4.6） 4.3.2光源的补偿方法在强度调制型光纤传感器的各种不稳定因素中，光源强度的变化是导致测量误差的最主要原因之一。所采用的稳定措施大体上有如下几种：稳定光源的方法、使用双光源、双光纤探测中的共用光源补偿方法24。下面我们着重讲一下第一种方法。半导体光源器件主要有发光二极管(LED)(如图4.3.1)和激光器(LD)(如图4.3.2)两大类。当然，它们都还有短波长、长波长等不同的波长种类以及各种结构类型。一般而言，LED的温度系数为每摄氏度-1%，在温度范围00C-700C可能引起约2dB的光功率变化，如图所示。图4.4.1 LED输出光功率随温度变化特性曲线 图4.4.2 LD随使用时间P-I变化特性曲线Fig.4.4.1 LED optical output power varies with temperature characteristic curveFig.4.4.2 LD time with the use of P-I characteristic curve changes为了使半导体发光元件的输出光功率较为稳定，须在光源驱动电路中采用温度补偿措施。对于LED，当环境温度上升时，应增大LED的驱动电流、使其输出光功率维持不变或变化较小。图给出了几种用LED作发光元件的温度补偿方法24。图(如图4.3.1)中的串联驱动器由于晶体管导通电压Vec有约-2.50C的负温度系数，因而该电路就自动起到了补偿作用。图(如图4.3.2)中，选用了具有负温度系数的热敏电阻，这样，当温度上升时，Rt见减小，从而使LED的驱动电流增大。图(如图4.3.3)中，选用了几个硅P-N结与电阻串联来代替图(如图4.3.1)中的RL，因为硅P-N结的负温度系数可起到补偿作用。而且，补偿量还可以方便地通过调整P-N结的个数来确定。图4.5 半导体光源LED温度补偿电路原理Fig.4.5 Semiconductor light source LED temperature compensation circuit schematic由于半导体发光器件的老化也将导致输出光功率的变化.因此对于长时间稳定性要求较高的光纤传感系统，仅作温度补偿是不够的.这就需要采用负反馈方法。即利用光电二极管PD检测LED发出的光，变成电信号去控制驱动电流了使LED发出的光功率恒定23。这种方法不仅可以对温度变化引起的光功率变化进行补偿，而且对于其它原因如LED老化等因素引起的光功率变化也可以进行补偿。第五章 位移电路设计使用光电转换器件光敏二极管或光敏三极管的光伏安特性将含有待测物理量信息的光强转换成电压变量，解调出这种变化就可得待测物理量。5.1 光源及光接受器件5.1.1 半导体光源在光纤传感器系统中得到广泛应用。本电路采用780nm的红外边发光二极管作为光源。5.1.2 光探测器光电信息转换器件，在光纤系统中，它的作用是将光纤传来的光信号功率变换为电信号电流。5.2 电路设计 系统电路方框图如图4-1所示。LED受方波驱动电路驱动，发出频率1KHz的脉冲调制光，V1是信号臂和参考臂两路光纤信号经过位移仪通过光电转化，经放大、滤波之后获得的包含位移变量信息的交流电压信号，和含有光源波动信息的交流电压信号V2，经交直流转化电路，这两路信号经处理送入除法电路相除后经A/D变换输入给计算机进行分析处理，实时显示出位移变量。下面分别进行介绍。5.2.1 电源模块 本系统采用的电源是金上品科贸有限公司生产的线性电源，型号4NIC-X19.5。其主要技术指标为：输入为AC220V，同时输出+12V，-12V，+5V和-5V四种电压，输出稳定。5.2.2 光源驱动电路图5.1 光源驱动电路Fig.5.1 A light source driving circuit1. 直流驱动电路 直流驱动电路简单，一般由直流电源、限流电阻和LED串联而成，如图(如图5.1.1)所示LED发光亮度。2. 脉冲调制驱动电路LED具有每摄氏度-1%的负温度系数，并且除了受温度影响外，半导体发光元件随着使用时间的增长，其电光转换效率逐步降低，所以发光时间的越长，其发光功率的稳定性越差。脉冲产生部分是以CC7555定时器及外围阻容元件组成的1KHz的方波发生器。CC7555基本单元包括两个比较器、R-S触发器、放电场效应管和输出反向器，它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路。其工作原理是：接通电源前，定时电容C1上的VC为零，所以刚接通电源时，触发器被置成高电平，R-S触发器的输出Q=“1”。电源电压通过（R1+R2）对C1充电，当VC上升到2/3VDD值时，比较器A翻转，触发器复零Q=“0”，放电管T导通，输出由高电平变为低电平。由于T导通，VC通过R2放电。当VC值低于1/3VDD时，比较器B翻转，触发器再次被置于高电平，输出由低电变为高电平。如此周而复始形成无稳态多谐振荡。其中，输出信号V0的脉冲宽度由下式决定： (5.1)脉冲时间间隔为： (5.2)振荡频率为： (5.3)本系统取f=1000HZ，C1为标称值0.1F，经计算可推出R1=1K，R2 =7.5K，占空比为： (5.4) 波形图（多谐振荡器波形)如所示：由稳压管限幅，以使集电极电流即流过LED的电流稳定，从而稳定了LED的发光强度，电路如图(如图5.2)所示。图5.2 多谐振荡器波形Fig.5.2 Multivibrator waveform5.2.3 光接收电路为了简便，只介绍信号臂的原理图，而参考臂的电路原理图与其类似，这里不再重复。图5.3 光接受电路原理Fig.5.3 Light receiving circuit theory1.光电转换电路光电转换电路的作用是利用光电三极管将光强变量转化为电信号的变量，如图（光接受电路原理（图）前部份所示。为提高光电转换效率，选择与LED发射光波长相匹配的不带基极引线的Si光敏三极管GGO101，其灵敏度为1A/W，暗电流小于1A，PCM为75mW，响应时间tr及tf均小于4s，有利于脉冲调制光的探测，且有良好的线性区，与光纤耦合简便。2.放大电路放大部分电路如图（光接受电路原理（图5.3）的中间部分所示，前置放大器是该测量系统的关键环节。C3选择合适可以分辨力为0.1V。(1) 一阶低通滤波器图5.4 一阶低通滤波电路 图5.5 一阶高通滤波电路Fig.5.4 First-order low-pass filter circuitFig.5.5 First-order high-pass filter circuit图5.6 低通滤波器幅频特性Fig.5.6 Low-pass filter frequency characteristics 低通滤波器只允许低于上限截止频率fOH的成分通过，一阶低通滤波电路如图（低通滤波器幅频特性（如图5.4）所示，其幅频特性曲线如图（低通滤波器幅频特性（图5.6）所示。一阶低通滤波器传递函数特性为： (5.5)当w=w0时， (5.6)其中有 (5.7)考虑到前级放大器的放大倍数K1=R5/R3，其中3R为1 K，若为获得50倍的放大倍数，R5设置为50K，可以推出C3值为0.022F。(2) 一阶高通滤波器采用如图（如图5.7）所示电路：图5.7.1 高通滤波器幅频特性 图5.7.2 带通滤波电路Fig.5.7.1 High-pass filter frequency characteristicsFig.5.7.2 Band-pass filter circuit下式特性传递函数为一阶高通滤波器： （5.8）其中下限截止频率fOL的值应低于1KHZ，设为350HZ，以便让1KHZ的调制信号通过，并滤除电路50HZ或100HZ交流低频噪声，推出C4可设置为0.47F。3.窄带带通滤波滤波器一切杂散光和电磁场引起的高、低频信号都是干扰信号，在前面放大器中都采用了一些滤波消噪措施，但为了不影响1KHz的脉冲信号通过，高通和低通滤波器的MB截止频率点都选的较宽，只能滤除部分干扰噪声。故应再采用一级陡度系数较大，f较小的有源二阶窄带带通滤波器，才能基本滤除叠加在待测信号上的噪声和不必要的频率分量，只让待测信号频率为1KHz的有用信号通过，使其他频率的信号都得到很快、很大地衰减，增加系统的信噪比。窄带带通滤波器电路如图（如图5.7.2）所示，其幅频特性如图（带通滤波器幅频特性（如图5.7.1）所示，一般又称之为多反馈带通电路，其通带带宽是以调制频率为中心频率的很窄的一个频率范围。带通滤波器能通过以角频率w0为中心，带宽为B的信号，而衰减所有其它频率的信号。w0称为中心角频率，B和w0都可以用rad/s为单位，当中心频率用 f0=w0/2 表示时，B可以用Hz为单位。这时滤波器的通频带与中心频率相比是很窄的。递函数在中心理想带通滤波器的幅值特性如图中虚线所示，其w1，w2为截止频率。图5.8 带通滤波器幅频特性Fig.5.8 Bandpass filter amplitude-frequency characteristics这一电路的最佳形式也就是改进的形式是将输入电阻分成两个电阻，即图(如图5.7.2)中的R9，R10。为方便设置元件参数，令电路中电容C5=C6=C=0.01F。其电路的传递函数为： (5.9) R9,R10的计算公式由下式决定 (5.10) (5.11) (5.12)其中，Ar是在谐振频率f0处要求的增益，为保证滤波器性能的稳定，运算放大器的闭环增益设计的比较低，它不能超过2Q2。品质因素Q的算法是： (5.13)中心频率f0设为1KHZ，下限频率fL设为950HZ，上限频率fH设为1050HZ，则Q等于10。设Ar为1，则用以上公式得R9=79.6K,R10=1.62K,R12=159.2K。5.2.4 后续电路如图所示(如图5.9)。图5.9 后续电路Fig.5.9 Follow-up circuit1.交直流变换电路在交流量的测量中，很多情况下都是将交流变换成直流以后再进行测量的。交直流变换通常由检波电路来完成。常用的检波电路有三类：一类是响应于输入交流平均值的检波；一类是响应于峰值的峰值检波；另一类是响应于有效值的有效值检波。平均值检波的特点是其检波输出电压值正比于被测电压的平均值。峰值检波的特点是其检波输出电压值正比于被测电压的峰值。而有效值检波的原理与平均值和峰值检波是完全不同的。它是根据周期性的电信号的热效应来确定的。在本接收机中采用了Analog Devices公司的AD536A交/直流转换芯片。该芯片直接计算输入信号的有效值，并输出相应的直流电平值25。AD536A的驱动电源，有一定量的高频纹波干扰，就应用0.1V的陶瓷电容片就近连接电源到接地点。2.除法电路顾名思义，乘除法(变换器)就是几个输入控制信号与输出的关系是“乘除”关系，输出就是几个输入信号经乘除变换的结果。AD公司生产的精确乘法器芯片AD534K，精度高，误差仅为0.5%。此电路功能较多，当用做一象限乘除法器时其传输公式为： （5.14）通过将输入Z1、X2、Y1连接到地，如图所示的就组成了一个有固定比例系数的一象限除法器，同一象限乘法器一样，其输入只接受单极性(正)信号，其带有+l0V的比例系数的输出为： （5.15）5.2.5 信号处理电路由除法器输出的信号由A/D转换交由单片机处理运算数据，最后通过扩展端口控制数码管显示。1.A/D转换电路然后，再开始下一次取样。A/D转换器的主要参数有：分解度、转换速度考虑到传感器的测量范围是2mm，精度是10s，因此A/D转换器至少应该能够区分200个点，其分辨率应为8位，选择了National公司生产的ADC0809(如图5.10)。ADC0809由8路模拟开关、地址锁存器、比较器等组成，是一种8位8通道逐次逼近式A/D转换器，转换速度为100s，工作电压为5V，具有高速、高精度、温度依赖性小和功耗低等特点26。图5.10 信号处理电路Fig.5.10 The signal processing circuit2.单片机控制电路它的性能的优劣直接影响到整个测量系统的工作性能。本文所选用的单片机的型号是AT89C52。低电压、低电流、低功耗，有DIP等各种封装形式，有民用级、工业级、汽车级、军用级等多种产品规格26。工作电压为：2.7V-6V，便于系统功能控制。工作温度为0700C。 因此AT89C52具有速度快、兼容性强以及成本低、开发调试方便等特点，而且由于它内部带有4K字节的只读存储器ROM，在不需要扩展外部数据存储器和程序存储器的情况下利用自身接口电路可直接与数码管显示器相连。执行下列程序后MOV R0， #0F0H MOV A， #07H；选择IN7模拟电压地址送AMOV R0， A；START上产生正脉冲总体电路图： 图5.11 电路控制图Fig.5.11 Circuit control charts5.3 抗干扰技术 5.3.1 空间辐射干扰的抑制静电屏蔽使用导体材料即可，为达到电磁屏蔽的目的，则要用铁来做外壳或屏蔽层。5.3.2 印刷电路板的抗干扰5.3.3 A/D转换中的抗干扰这需首先确定出干扰的频率，然后选取与此频率成偶数倍的采样频率，并使二者同步，或采用隔离技术，使电的干扰不能进入A/D转换器的输入端。1.对脉冲千扰，采用算术平均值或加权平均值滤波。5.4 小结本章主要介绍了位移仪的电路工作原理及系统方框图，介绍了光源驱动和光接收电路的工作原理等，对微安级微弱输入信号的前置放大电路、带通滤波电路的设计及主要元件参数的算法。并说明了电路中应该注意的抗干扰技术的应用。尤其对强度调制式光纤传感器不失为一种具有代表性的电路设计。结束语为降低实验成本，简化实验思路，增加实用性，我们研究决定在强度可调调制式方案上，研究光闸式光纤位移实验。采用非相干光源半导体发光二极管，使用方波驱动对光源进行调制，减小LED持续发光时间，使光源稳定。传感器结构设计巧妙，体积小、制造和安装简便，满足工程试验的要求。独特的光连接器设计使光纤与光纤位移仪分离，仪器便于携带。对微弱输入信号的放大、窄带带通滤波等电路的设计和采用的抗干扰措施，增强了实验系统的信噪比，对很多传感器的信号接收电路设计具有参考价值。1.测量范围：0-1000m； 2.测量分辨率：0.5m； 3.测量重复性S：0.2%； 4.线性度优于：3%。使用光纤束的方法扩大量程时，若增大光纤束芯径可为进一步扩大量程，但要注意其光连接器的设计，以增强与光纤的耦合。 参考文献1 Morey WW, Ball GA, Meltz G. Photo induced Bragg gratings in optical fibers. Optics and Photonics News 1994；February:814.2 Wosinski L, Breidne M, Stubbe R, Sahlgren B, Betend-Bon J-P.3 Levin K, Nilsson S. Examination of reliability of fibre optic sensorsembedded in carbon/epoxycomposites. Proceedings of the Thirdinternational conference on intelligent materials, ICIM-3. Lyon,France, June 1996, pp. 222229.4 Brackett C A. On the efficiency of coupling light from Stripe-geometry GaAs lasers into multimode optical fibers.J.Appl.Phys,1974, 45(6):2636-2637.5 Taneshi Ozeki, Kawasaki B S. Efficient power coupling using taper-ended multimode optical fibers.Electron. Lett, 1976, 12(23):607-608.6 Fan Tso Yee. Efficient coupling of multiple emitter laser arrays to an optical fibers by geometric multiplexing. Appl Opt, 1991, 30(6):630.7 Z.Y.Zhang, K.T.V.Grattan, Commercial activity in optical fiber sensors, Optical Fiber Sensors Technology.Vol.3Applications and Systems Chap. 10, 2003.8 K.T.V.Grattan and B.T.Meggitt, Optical Fiber Sensor Technology Volume 2 Devices and Technology,CHAPMN&HALL,1998.9 Halley.P, Fiber Optical System, Wiley,1985.10 Kwan.s, Beaven.C.M. and Jones. 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