基于光纤传感器的位移测量系统.pdf-资料库

weixin_38601215-12098418-16359648024587762817.pdf-第1页.png

第1页 / 共6页

weixin_38601215-12098418-16359648024587762817.pdf-第2页.png

第2页 / 共6页

weixin_38601215-12098418-16359648024587762817.pdf-第3页.png

第3页 / 共6页

weixin_38601215-12098418-16359648024587762817.pdf-第4页.png

第4页 / 共6页

weixin_38601215-12098418-16359648024587762817.pdf-第5页.png

第5页 / 共6页

weixin_38601215-12098418-16359648024587762817.pdf-第6页.png

第6页 / 共6页

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于光纤传感器的位移测量系统姚刚* （北京邮电大学自动化学院，北京 100876）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；电路设计中图分类号：TH7 Displacement Measuring System using Fiber-optic Sensor Yao Gang (Beijing University of Post and Telecomunications, Automation College, Beijing 100876 ) Abstract: A Fiber-optic Displacement measuring system was introduced.The system gives up the traditional Y-type sensor, and uses the new dual-channel sensor to help eliminate or reduce the ambient light wave, light detector drift and other factors, in order to improve measurement accuracy.The program gives a detailed circuit design and the fitting curve equation.Circuit part consists of light source drive circuit, photoelectric detector, preamplifier, and subsequent filtering and signal processing circuit, etc.The system has many advantages such as high precision,strong anti-interference,non-contact measurement,simple structure and so on. Experimental results show that resolution of 3µm can be achieved Key words: Displacement measurement ;Fiber-optic sensor;Non-contact measurement ;Circuit Design 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。其结构如图 1 所示 [1] 作者简介：姚刚（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为机械设计，及在线检测系统. E-mail: yaogang_1987@163.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 传感器的简化模型如图 2 所示：图 1 双圆形光纤传感器基本结构，I2 图 2 双圆形光纤传感器简化模型输出特性φ定义为两部分接收光纤束接收到的光强之比I1 I 1=φ I 2 RR 3){[ （ = RR 3){[ （ 1 RRR f ( , − − , 2 0 1 1 0 2 φ = 0 tan tan βαα（ R d 3 + R d 3 + βαα（ 0 βαd , , ), tan( tan( + + + + )]( )]( 1 RR RR + + 2 0 (2) − (2) − 1 RRRR RRRR + + + + 2 1 2 2 2 0 2 1 2 1 0 )} )} 1 式中，α为入射光纤束的孔径角，β为反射限界角，d 为传感器端面与被测表面之间的距离，R 0 ,R1 ,R 2 分别为入射光纤和接收光纤束之间的半径 [1]。由上式可知，当光纤参数及传感器尺寸确定后，α，β，R 0 ,R1 ,R 2 均为固定值，则φ仅与传感器端面到被测平面的距离有关。采用双圆形光纤传感器，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。 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 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 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。图 3 总体设计框图 3 电路设计 3.1 光源驱动电路设计光源选用峰值波长为 650 nm 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。驱动电路如图 4 所示。图 4 光源驱动电路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 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 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]。图 5 前置放大电路 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。双 T 网络的传递函数为带阻频率为 0 =w 1 RC 电路采用两级双 T 网络，R=20K，C=1μf，电路如图 6 所示 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6 双 T 滤波电路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]。带通滤波器电路如图 7 所示：由电路分析可知，其传递函数为图 7 窄带滤波电路 A(s) = 2 s + 1 1 R C 1 ( 3 + 1 C 2 − s R C )s 1 + 2 1 1 C C R ( 1 3 R 2 1 + 1 R 2 ) 其中： R 1 = R 3 2A r R 2 = R 3 2 − 2 2Q A R r Q = 3 π Cf 0 Q = f 0 − f H f L 本系统需要的带通滤波器的中心频率 0f 为 1000Hz，下限频率 Lf 为 900Hz，上限频率 Hf 为 1100Hz, 则 Q=5，设 Ar=1,由此可确定电路中各元件的参数值：C1=C2=0.01 μf， R1=79.6k,R2=1.62k,R3=157k,R4=100k。电阻均采用 0.1%精度低温漂电阻。 - 5 -

中国科技论文在线 3.4 有效值转换电路和 AD 转换器 http://www.paper.edu.cn 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 测量结果的拟合经过大量的实验和对照测量，可得 d—φ特性曲线如图 8 所示（d 为横坐标，单位为μ m，φ为纵坐标）：图 8 d—φ特性曲线通过观察曲线可以发现，在 400μm~1000μm 之间曲线的线性度较好。考虑到测量精度和单片机的处理能力，故采用三次多项式拟合，拟合曲线方程如下显示： d=652.8φ3 -812.3φ2 +961.5φ +374 通过对曲线通过对 d—φ特性曲线的曲线拟合，进一步改善了测量效果。实验结果表明，该系统最小分辨率优于 3μm。 5 结论本文提出了基于光纤传感器的位移测量系统的设计方案。该方案给出了详细的电路设计方案和拟合曲线方程。该方案具有结构简单，非接触、精度高，抗干扰能力强等特点。通过对 d—φ特性曲线的曲线拟合，进一步改善了测量效果。实验结果表明，该系统最小分辨率优于 3μm。 [参考文献] (References) [1] 李亚非. 一种反射式光纤传感器的研究[J]. 仪器仪表学报，2005，26（10）：1097～1100. [2] 肖韶荣，李剑白. 双通道光纤传感器实时测量系统[J]. 半导体光电，2000，21（6）：414～417 [3] 向红军. 基于光纤传感器的便携式表面粗糙度测试仪研究[D]. 石家庄：军械工程学院，2007 [4] 张建雄等. 高线性非接触式电容式位移传感器[J]. 仪表技术与传感器，2006，1：6～8 [5] 王伯海等. 光纤位移测量系统设计[J]. 电子测试技术，2006，29（4）：163～165 [6] 张建松等. 一种高稳定,高分辨率的光纤位移检测系统[J]. 光学技术，2006，32（5）：656～659 - 6 -

资料库

基于光纤传感器的位移测量系统.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料