基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設計

1、基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設計基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設計 Y型光纖傳感器測量型光纖傳感器測量位移位移 姓名：陶姓名：陶陶陶 導師：導師： 學號：學號：20120511233 位移位移是工業(yè)產品重要的特征參數(shù)，過去的位移測是工業(yè)產品重要的特征參數(shù)，過去的位移測量方法是依靠機械接觸，可是在現(xiàn)代工業(yè)生產中量方法是依靠機械接觸，可是在現(xiàn)代工業(yè)生產中, ,加工加工精度和技術指標都越來越高，所以需要一個新型、快速、精度和技術指標都越來越高，所以需要一個新型、快速、柔性好、能直接在生產過程中進行非破壞性產品質量檢柔性好、能直接在生產過程中進行非破壞性產品質量檢測的測量方法。光纖傳感器應運而生測的

2、測量方法。光纖傳感器應運而生, ,它具有常規(guī)檢測它具有常規(guī)檢測技術不可比擬的諸多優(yōu)點：體積小、適應性強、抗電磁技術不可比擬的諸多優(yōu)點：體積小、適應性強、抗電磁干擾、靈敏度高等，因而各種光纖傳感器已經廣泛應用干擾、靈敏度高等，因而各種光纖傳感器已經廣泛應用于工業(yè)，軍事和醫(yī)療等廣大領域于工業(yè)，軍事和醫(yī)療等廣大領域。 本文本文內容主要分為三大內容主要分為三大板塊板塊：第一第一板塊介紹了微位移測量的發(fā)展；第二板板塊介紹了微位移測量的發(fā)展；第二板塊介紹了基于光纖傳感器的位移測量系塊介紹了基于光纖傳感器的位移測量系統(tǒng)的整體設計；第三板塊主要是對全文統(tǒng)的整體設計；第三板塊主要是對全文的總結。的總結。1. 微

3、微位移測量的發(fā)展位移測量的發(fā)展 微微位移測量技術的發(fā)展歷程主要向兩個方向發(fā)展：位移測量技術的發(fā)展歷程主要向兩個方向發(fā)展：（1 1）建立在新概念基礎上的測量技術，利用量子物）建立在新概念基礎上的測量技術，利用量子物理和微觀物理中最新的研究成果，將其應用于測量系統(tǒng)理和微觀物理中最新的研究成果，將其應用于測量系統(tǒng)中，該技術將成為微位移測量的發(fā)展趨勢。中，該技術將成為微位移測量的發(fā)展趨勢。（2 2）在傳統(tǒng)測量方法的基礎上，應用先進的測試儀）在傳統(tǒng)測量方法的基礎上，應用先進的測試儀器來解決微細加工和應用物理中的微位移測量問題，通器來解決微細加工和應用物理中的微位移測量問題，通過對各種測試技術的分析來找出

4、改進措施或者新的測試過對各種測試技術的分析來找出改進措施或者新的測試方法。方法。2. 實物的實物的設計設計 本本設計選用使用很廣泛的設計選用使用很廣泛的MCS-51MCS-51系列單片機中系列單片機中的的80518051單片機單片機。本系統(tǒng)的電路設計方面主要包括。本系統(tǒng)的電路設計方面主要包括He-NeHe-Ne激光激光器、波形發(fā)生器器、波形發(fā)生器lm567lm567一塊、一塊、80518051單片機一塊、單片機一塊、ADAD轉換芯轉換芯片片ICL7109ICL7109一塊、運算放大器一塊、運算放大器ICL7650ICL7650一塊、運算放大器一塊、運算放大器OPA4277OPA4277一塊、顯

5、示屏一塊、顯示屏LCD1602LCD1602一塊。下面主要對各部位一塊。下面主要對各部位器件的選擇、電路的設計以及重要芯片的引腳和功能進器件的選擇、電路的設計以及重要芯片的引腳和功能進行介紹。行介紹。2.1 基于基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)框圖光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)框圖2.2 設計原理原理如如下下圖圖所所示：光纖采用示：光纖采用Y型結構，測量端面要平整并垂直于型結構，測量端面要平整并垂直于軸線軸線，測量測量時光纖軸線與被測面垂直。兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，時光纖軸線與被測面垂直。兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源另一端

6、分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換探測器件接收，探測器件接受到的光源與反射體表面性質、反射體轉換探測器件接收，探測器件接受到的光源與反射體表面性質、反射體到光纖探頭距離有關。到光纖探頭距離有關。 當當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨著光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當著光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收

7、到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點又隨兩者的距離增加而減小。漸增加，到達最大值點又隨兩者的距離增加而減小。在得到電壓與距離的關系之后就可以通過單片機的處在得到電壓與距離的關系之后就可以通過單片機的處理將電壓轉換成距離顯示出來。理將電壓轉換成距離顯示出來。如下圖所如下圖所示：示：2.3 光源光源驅動電路設計驅動電路設計 光源光源選擇選擇650nm峰值波長的峰值波長的He-Ne激光器，它在工作過程中，輸出功激光器，它在工作過程中，輸出功率會隨時間做周期性的或隨即的波動，具有光束質量好、單色質量好、率會隨時間

8、做周期性的或隨即的波動，具有光束質量好、單色質量好、穩(wěn)定性高和在可見光區(qū)的優(yōu)點。我們對光源信號進行調制處理后使系統(tǒng)穩(wěn)定性高和在可見光區(qū)的優(yōu)點。我們對光源信號進行調制處理后使系統(tǒng)不受環(huán)境光變化的影響，這樣激光管就處于脈沖狀態(tài)，便于后續(xù)電路進不受環(huán)境光變化的影響，這樣激光管就處于脈沖狀態(tài)，便于后續(xù)電路進行濾波處理以及濾除干擾信號。在本次設計中為了保證傳感器的精準度行濾波處理以及濾除干擾信號。在本次設計中為了保證傳感器的精準度和穩(wěn)定性，所以采用波形發(fā)生器和穩(wěn)定性，所以采用波形發(fā)生器lm567 產生產生1000Hz 的方波信號進行調制。的方波信號進行調制。電路電路如如下圖下圖所所示。示。2.4 前前置

9、放大電路設計置放大電路設計 本本測量系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定度和靈敏度較高的前置放大電路。測量系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定度和靈敏度較高的前置放大電路。因此我選擇因此我選擇ICL7650運算放大器。運算放大器。ICL7650是是Intersil公司利用動態(tài)校公司利用動態(tài)校零技術和零技術和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器，它具有工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器，它具有輸入偏置電流小、失調小、增益高、共模抑制能力強、響應快、輸入偏置電流小、失調小、增益高、共模抑制能力強、響應快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。所以常常被用在熱電偶、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。所以常常被用在熱電偶、電阻應變電橋

10、、電阻應變電橋、電荷電荷傳感器傳感器等等測量測量微弱微弱信號的前置放大器中。下信號的前置放大器中。下圖為圖為ICL7650組成的前置放大電路圖。組成的前置放大電路圖。2.5 濾波電路濾波電路設計設計 從前從前置放大電路出來的信號除了有用信號以外還包括一置放大電路出來的信號除了有用信號以外還包括一些雜質信號，因此我們需要添加一個濾波器在其后面讓有用些雜質信號，因此我們需要添加一個濾波器在其后面讓有用信號通過，其它頻率的雜質信號都過濾掉，從而提高信噪比。信號通過，其它頻率的雜質信號都過濾掉，從而提高信噪比。帶通濾波電路圖如下所帶通濾波電路圖如下所示：示：2.6 AD轉換模塊轉換模塊 ADAD轉換轉

11、換模塊我們選擇模塊我們選擇ICL7109ICL7109型型A/DA/D轉換器。轉換器。ICL7109ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分式雙積分式1212位位A/DA/D轉換器。由于目前逐次比較式的高速轉換器。由于目前逐次比較式的高速1212位位A/DA/D轉換器一般價格都很高，在要求速度不太高的轉換器一般價格都很高，在要求速度不太高的場合，如用于稱重和測壓力等各種高精度測量系統(tǒng)時，場合，如用于稱重和測壓力等各種高精度測量系統(tǒng)時，可以采用廉價的雙積分式高精度可以采用廉價的雙積分式高精度A/DA/D轉換器轉換器ICL7109 ICL

12、7109 。ICL7109ICL7109最大的特點是其數(shù)據(jù)輸出為最大的特點是其數(shù)據(jù)輸出為1212位二進制數(shù)，并位二進制數(shù)，并配有較強的接口功能，能方便的與各種微處理器相連配有較強的接口功能，能方便的與各種微處理器相連。 ICL7109ICL7109的功能引腳如下的功能引腳如下圖所圖所示：示：GNDGND：數(shù)字地，0V。STATUSSTATUS：狀態(tài)輸出，ICL7109轉換結束時，該引腳發(fā)出轉換結束信號。POLPOL：極性輸出，高電平表示ICL7109的輸出信號為正。OROR：過程量狀態(tài)輸出，高電平表示過程量。B1B1B12B12：三態(tài)轉換結果輸出，B12為最高位，B1為最低位。TESTTEST

13、：此引腳僅適用于測試芯片，接高電平時為正常操作，接低電平時則強迫所有位B1B12輸出為高電平。LBENLBEN：低電平使能端。當MODE和CE/LOAD均為低電平時，此信號將作為低位字節(jié)（B1B8）輸出選通信號；當MODE位高電平時，此信號將作為低位字節(jié)輸出。 HBENHBEN：高字節(jié)使能端。當MODE和CE/LOAD均為高電平時，此信號將作為高位節(jié)（B8B12）以及POL，OR輸出的輔助選通信號；當MODE位高電平時，此信號將作為高位字節(jié)輸出而用于信號交換方式。 CE/LOADCE/LOAD：片選端。當MODE為低電平時，它是數(shù)據(jù)輸出的主選通信號，當本腳為低電平時，數(shù)據(jù)正常輸出；當本腳為高電

14、平時，則所有數(shù)據(jù)輸出端（B1B12，POL，OR）均處于高阻狀態(tài)。MODEMODE：方式選擇。當輸出低電平信號時，轉換器為直接輸出方式。此時，可在片選和數(shù)據(jù)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。當輸出高電平脈沖時，轉換器處于UART方式，并在輸出兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，返回到直接輸出方式。當輸入 高電平時，轉換器將在信號交換方式的每一轉換周期的結尾輸出數(shù)據(jù)。OSC INOSC IN：振蕩器輸入。OSCOUTOSCOUT：振蕩器輸出。OSCSELOSCSEL：振蕩器選擇。輸出高電平時，采用RC振蕩器；輸入低電平時采用晶體振蕩器。BUFOSCOUTBUFOSCOUT：緩沖振蕩器輸出。RUN/HOLDRUN/HOLD

15、：運行/保持輸出。輸入高電平，每經8192個時鐘脈沖均完成一次轉換。當輸入低電平時，轉換器將立即結束消除積分階段并跳至自動調零階段，從而縮短了消除積分階段的時間，提高了轉換速度。V-V-：負電源，接5V。REFUOTREFUOT：基準電壓輸出，一般為+2，8V。BUFBUF：緩沖器輸出。AZAZ：自動調零電容Caz連接端。INTINT：積分電容Cint連接端。COMMONCOMMON：公共模擬端。INLOINLO：差分輸入低端。INHIINHI：差分輸入高端。REFIN+REFIN+：正差分基準輸入端。REFCAP+REFCAP+：正差分電容連接端。REFCAP-REFCAP-：負差分電容連接

16、端。REFIN-REFIN-：負差分基準輸入端。V+V+：正電源，接+5V。2.7 單片機單片機控制模塊控制模塊 8051芯片有芯片有40根引腳，其引腳大致可以分為根引腳，其引腳大致可以分為4類：類：電源、時鐘、控制和電源、時鐘、控制和I/O引腳。引腳。如如下圖下圖所示所示： 光信號光信號經轉換以后變成電壓經轉換以后變成電壓信號，這樣就可以得到多組的電信號，這樣就可以得到多組的電壓與距離的對應關系，將電壓與壓與距離的對應關系，將電壓與距離的對應關系輸入到距離的對應關系輸入到MATLAB軟軟件中進行擬合，擬合出電壓距離件中進行擬合，擬合出電壓距離的公式，以此公式為標準經單片的公式，以此公式為標準經單片機處理就可以將電壓信號轉換成機處理就可以將電壓信號轉換成為距離并顯示在液晶上面。為距離并顯示在液晶上面。3. 結論結論 本文本文提出了基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設計方提出了基于光