基于光纤传感器微位移测量系统的设计

1、基于光纤传感器微位移测量系统的设计基于光纤传感器微位移测量系统的设计 Y型光纤传感器测量型光纤传感器测量位移位移 姓名：姓名：陶陶陶陶 导师：导师： 学号：学号：20120511233 位移位移是工业产品重要的特征参数，过去的位移测是工业产品重要的特征参数，过去的位移测量方法是依靠机械接触，可是在现代工业生产中量方法是依靠机械接触，可是在现代工业生产中, ,加工加工精度和技术指标都越来越高，所以需要一个新型、快速、精度和技术指标都越来越高，所以需要一个新型、快速、柔性好、能直接在生产过程中进行非破坏性产品质量检柔性好、能直接在生产过程中进行非破坏性产品质量检测的测量方法。光纤传感器应运而生测的

2、测量方法。光纤传感器应运而生, ,它具有常规检测它具有常规检测技术不可比拟的诸多优点：体积小、适应性强、抗电磁技术不可比拟的诸多优点：体积小、适应性强、抗电磁干扰、灵敏度高等，因而各种光纤传感器已经广泛应用干扰、灵敏度高等，因而各种光纤传感器已经广泛应用于工业，军事和医疗等广大领域于工业，军事和医疗等广大领域。 本文本文内容主要分为三大内容主要分为三大板块板块：第一第一板块介绍了微位移测量的发展；第二板板块介绍了微位移测量的发展；第二板块介绍了基于光纤传感器的位移测量系块介绍了基于光纤传感器的位移测量系统的整体设计；第三板块主要是对全文统的整体设计；第三板块主要是对全文的总结。的总结。1. 微

3、微位移测量的发展位移测量的发展 微微位移测量技术的发展历程主要向两个方向发展：位移测量技术的发展历程主要向两个方向发展：（1 1）建立在新概念基础上的测量技术，利用量子物）建立在新概念基础上的测量技术，利用量子物理和微观物理中最新的研究成果，将其应用于测量系统理和微观物理中最新的研究成果，将其应用于测量系统中，该技术将成为微位移测量的发展趋势。中，该技术将成为微位移测量的发展趋势。（2 2）在传统测量方法的基础上，应用先进的测试仪）在传统测量方法的基础上，应用先进的测试仪器来解决微细加工和应用物理中的微位移测量问题，通器来解决微细加工和应用物理中的微位移测量问题，通过对各种测试技术的分析来找出

4、改进措施或者新的测试过对各种测试技术的分析来找出改进措施或者新的测试方法。方法。2. 实物的实物的设计设计 本本设计选用使用很广泛的设计选用使用很广泛的MCS-51MCS-51系列单片机中系列单片机中的的80518051单片机单片机。本系统的电路设计方面主要包括。本系统的电路设计方面主要包括He-NeHe-Ne激光激光器、波形发生器器、波形发生器lm567lm567一块、一块、80518051单片机一块、单片机一块、ADAD转换芯转换芯片片ICL7109ICL7109一块、运算放大器一块、运算放大器ICL7650ICL7650一块、运算放大器一块、运算放大器OPA4277OPA4277一块、显

5、示屏一块、显示屏LCD1602LCD1602一块。下面主要对各部位一块。下面主要对各部位器件的选择、电路的设计以及重要芯片的引脚和功能进器件的选择、电路的设计以及重要芯片的引脚和功能进行介绍。行介绍。2.1 基于基于光纤传感器微位移测量系统框图光纤传感器微位移测量系统框图2.2 设计原理原理如如下下图图所所示：光纤采用示：光纤采用Y型结构，测量端面要平整并垂直于型结构，测量端面要平整并垂直于轴线轴线，测量测量时光纤轴线与被测面垂直。两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，时光纤轴线与被测面垂直。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另一端

6、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，最后由光电转换探测器件接收，探测器件接受到的光源与反射体表面性质、反射体转换探测器件接收，探测器件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。到光纤探头距离有关。 当当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随着光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当着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。光纤探头紧贴反射片时，接收器接收

7、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，到达最大值点又随两者的距离增加而减小。渐增加，到达最大值点又随两者的距离增加而减小。在得到电压与距离的关系之后就可以通过单片机的处在得到电压与距离的关系之后就可以通过单片机的处理将电压转换成距离显示出来。理将电压转换成距离显示出来。如下图所如下图所示：示：2.3 光源光源驱动电路设计驱动电路设计 光源光源选择选择650nm峰值波长的峰值波长的He-Ne激光器，它在工作过程中，输出功激光器，它在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或随即的波动，具有光束质量好、单色质量好、率会随时间

8、做周期性的或随即的波动，具有光束质量好、单色质量好、稳定性高和在可见光区的优点。我们对光源信号进行调制处理后使系统稳定性高和在可见光区的优点。我们对光源信号进行调制处理后使系统不受环境光变化的影响，这样激光管就处于脉冲状态，便于后续电路进不受环境光变化的影响，这样激光管就处于脉冲状态，便于后续电路进行滤波处理以及滤除干扰信号。在本次设计中为了保证传感器的精准度行滤波处理以及滤除干扰信号。在本次设计中为了保证传感器的精准度和稳定性，所以采用波形发生器和稳定性，所以采用波形发生器lm567 产生产生1000Hz 的方波信号进行调制。的方波信号进行调制。电路电路如如下图下图所所示。示。2.4 前前置

9、放大电路设计置放大电路设计 本本测量系统需要一个稳定度和灵敏度较高的前置放大电路。测量系统需要一个稳定度和灵敏度较高的前置放大电路。因此我选择因此我选择ICL7650运算放大器。运算放大器。ICL7650是是Intersil公司利用动态校公司利用动态校零技术和零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运算放大器，它具有工艺制作的斩波稳零式高精度运算放大器，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。所以常常被用在热电偶、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。所以常常被用在热电偶、电阻应变电桥

10、、电阻应变电桥、电荷电荷传感器传感器等等测量测量微弱微弱信号的前置放大器中。下信号的前置放大器中。下图为图为ICL7650组成的前置放大电路图。组成的前置放大电路图。2.5 滤波电路滤波电路设计设计 从前从前置放大电路出来的信号除了有用信号以外还包括一置放大电路出来的信号除了有用信号以外还包括一些杂质信号，因此我们需要添加一个滤波器在其后面让有用些杂质信号，因此我们需要添加一个滤波器在其后面让有用信号通过，其它频率的杂质信号都过滤掉，从而提高信噪比。信号通过，其它频率的杂质信号都过滤掉，从而提高信噪比。带通滤波电路图如下所带通滤波电路图如下所示：示：2.6 AD转换模块转换模块 ADAD转换转

11、换模块我们选择模块我们选择ICL7109ICL7109型型A/DA/D转换器。转换器。ICL7109ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式双积分式1212位位A/DA/D转换器。由于目前逐次比较式的高速转换器。由于目前逐次比较式的高速1212位位A/DA/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重和测压力等各种高精度测量系统时，场合，如用于称重和测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度可以采用廉价的双积分式高精度A/DA/D转换器转换器ICL7109 ICL

12、7109 。ICL7109ICL7109最大的特点是其数据输出为最大的特点是其数据输出为1212位二进制数，并位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。 ICL7109ICL7109的功能引脚如下的功能引脚如下图所图所示：示：GNDGND：数字地，0V。STATUSSTATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该引脚发出转换结束信号。POLPOL：极性输出，高电平表示ICL7109的输出信号为正。OROR：过程量状态输出，高电平表示过程量。B1B1B12B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位。TESTTEST

13、：此引脚仅适用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有位B1B12输出为高电平。LBENLBEN：低电平使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1B8）输出选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为低位字节输出。 HBENHBEN：高字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为高电平时，此信号将作为高位节（B8B12）以及POL，OR输出的辅助选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。 CE/LOADCE/LOAD：片选端。当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为低电平时，数据正常输出；当本脚为高电

14、平时，则所有数据输出端（B1B12，POL，OR）均处于高阻状态。MODEMODE：方式选择。当输出低电平信号时，转换器为直接输出方式。此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。当输出高电平脉冲时，转换器处于UART方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入 高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。OSC INOSC IN：振荡器输入。OSCOUTOSCOUT：振荡器输出。OSCSELOSCSEL：振荡器选择。输出高电平时，采用RC振荡器；输入低电平时采用晶体振荡器。BUFOSCOUTBUFOSCOUT：缓冲振荡器输出。RUN/HOLDRUN/HOLD

15、：运行/保持输出。输入高电平，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。V-V-：负电源，接5V。REFUOTREFUOT：基准电压输出，一般为+2，8V。BUFBUF：缓冲器输出。AZAZ：自动调零电容Caz连接端。INTINT：积分电容Cint连接端。COMMONCOMMON：公共模拟端。INLOINLO：差分输入低端。INHIINHI：差分输入高端。REFIN+REFIN+：正差分基准输入端。REFCAP+REFCAP+：正差分电容连接端。REFCAP-REFCAP-：负差分电容连接

16、端。REFIN-REFIN-：负差分基准输入端。V+V+：正电源，接+5V。2.7 单片机单片机控制模块控制模块 8051芯片有芯片有40根引脚，其引脚大致可以分为根引脚，其引脚大致可以分为4类：类：电源、时钟、控制和电源、时钟、控制和I/O引脚。引脚。如如下图下图所示所示： 光信号光信号经转换以后变成电压经转换以后变成电压信号，这样就可以得到多组的电信号，这样就可以得到多组的电压与距离的对应关系，将电压与压与距离的对应关系，将电压与距离的对应关系输入到距离的对应关系输入到MATLAB软软件中进行拟合，拟合出电压距离件中进行拟合，拟合出电压距离的公式，以此公式为标准经单片的公式，以此公式为标准经单片机处理就可以将电压信号转换成机处理就可以将电压信号转换成为距离并显示在液晶上面。为距离并显示在液晶上面。3. 结论结论 本文本文提出了基于光纤传感器微位移测量系统的设计方提出了基于光