基于光纤传感器的位移测量系统.docx

基于光纤传感器的位移测量系统基于光纤传感器的位移测量系统摘要：本文介绍了一个基于光纤传感器的位移测量系统。该系统放弃了传统的Y型传感器，而采用新型的双通道传感器，有助于消除或减小环境光波动，光探测器漂移等因素的影响，提高测量精度。方案给出了详细的电路设计和拟合曲线方程。电路部分包括光源驱动电路，光电探测器，前置放大电路，及后续的滤波及信号处理电路等部分。该系统具有结构简单，非接触、精度高，抗干扰能力强等特点。实验结果表明，该系统分辨率优于3μm。关键词：位移测量;光纤传感器;非接触式测量;电路设计0、引言位移是工业产品的重要特征参数，以往典型的测位移方法是依靠机械接触，但在现代工业生产中,越来越高的加工精度和技术指标要求有新型、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测的测量方法。光纤传感器应运而生,它具有常规检测技术不可比拟的诸多优点：可挠曲，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于工业，军事和医疗等广大领域。本文介绍了基于光纤传感器的非接触的位移测量系统，包括详细的电路设计。试验证明，该系统具有结构简单，精度高，抗干扰能力强等优点。1、测量原理系统选择采用双圆形光纤传感器，放弃传统的Y型结构光纤传感器。Y型结构传感器，具有一个输入端和一个输出端。这类结构的光纤传感器易受入射光强变化，被测表面形貌不同等因素的影响。为提高测量精度，测量系统采用双圆形光纤传感器，它具有一个输入端和两个输出端，并在探头端排布成双同心圆形。2、总体设计基于光纤传感器的位移测量系统如图3所示。它由光源驱动电路，光纤传感器，光电探测器，前置放大电路，及后续的滤波及信号处理电路等部分组成。首先通过对氦氖激光器进行高频调制，使激光发生器产生波长为1000Hz的方波脉冲，激光通过光纤传感器照射到待测表面，待测表面反射的光信号通过接收光纤传送到光探测器a，b转换为模电信号，经过后续的前置放大、带通滤波等电路处理，最终经A/D采集模块转换为数字信号送入单片机进行软件处理，通过标定曲线和插值得到被测面与光纤探头之间的`距离。3、电路设计3.1光源驱动电路设计光源选用峰值波长为650nm的氦氖激光器，具有发光强度高，稳定的特点。双通道光纤位移传感器的输出特性参量φ与注入光纤的光强无关，激光器发光强度的变化不影响φ，因此，可适当降低对光源稳定性的要求，毋须专门的稳定光强措施[2]。为使系统不受环境光变化的影响，将对光源信号进行调制处理，使激光管工作于脉冲状态，便于后续电路滤除干扰信号和滤波处理。激光管的方波光脉冲的频率为1000Hz。要保证传感器的稳定性和精度，传感器的光源必须非常稳定，不能随负载和温度变化，因此采用波形发生器lm567产生1000Hz的方波信号进行调制。lm567可产生精密的方波输出，此方波的峰到峰幅值等于电源电压减去1.4V。这种方波发生器和负载特性极佳，任何大于1KΩ的电阻性负载均不会影响电路的功能。在实际测试中，芯片的工作状态相当优异，频率的漂移小于3Hz，电压漂移小于30mv。3.2前置放大电路设计前置放大器是该测量系统的关键环节，它的稳定度、灵敏度直接决定整个统的性能指标。它的主要功能是必须具有在强噪声中接收微弱有用信号的能力，并能正确放大有用信号。由于光电三极管的光电流通常为微安量级的微弱信号，为了获得较稳定的输出必须考虑前置放大器的噪声性能。为此，放大器应选择输入阻抗高、输入偏置电流小、高稳定、低漂移的运算放大器，如ICL7650运算放大器。ICL7650居第四代运放，它利用动态校零的原理消除了CMOS器件固有的失调和漂移，对弱信号来讲是个理想的运算放大器[3]。3.3滤波电路设计滤波电路主要包括双T滤波和带通滤波两部分。双T型滤波是带阻滤波，主要目的是滤除以50HZ工频为主的电磁干扰[4]，为后续的处理创造有利条件。从前置放大器出来的信号不仅包含有1kHz的有用信号，还包含有一些杂散光和电磁场引入的高、低频信号，因此在前置放大器后需要加一个带通滤波器，主要使1kHz的有用信号通过，而让其他频率的信号都得到很快很大的衰减，从而提高信噪比[3]。3.4有效值转换电路和AD转换器交流/直流有效值电路采用芯片AD736构成。AD则采用12位分辨率的高精度AD芯片—AD1674。AD1674的性能特点：(1)转换速率快，转换时间为10μs;(2)转换精度高，满量程校准误差为0.1.25%;(3)分辨率高;(4)内部自带高精度电压基准和时钟电路，外围电路简单;(5)模拟信号输入范围可为0~+10V，0~+20V或设置为双极性。本系统设置为0~+10V输入，单片机采取中断方式获取AD1674转换的结果。4、测量结果的拟合通过观察曲线可以发现，在400μm~100