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基于光纖傳感器的位移測量系統
摘要：本文介紹了一個基于光纖傳感器的位移測量系統。該系統放棄了傳統的Y 型傳感器，而采用新型的雙通道傳感器，有助于消除或減小環境光波動，光探測器漂移等因素的影響，提高測量精度。方案給出了詳細的電路設計和擬合曲線方程。電路部分包括光源驅動電路，光電探測器，前置放大電路，及后續的濾波及信號處理電路等部分。該系統具有結構簡單，非接觸、精度高，抗干擾能力強等特點。實驗結果表明，該系統分辨率優于3μm。
關鍵詞： 位移測量;光纖傳感器;非接觸式測量;電路設計
0、引言
位移是工業產品的重要特征參數，以往典型的測位移方法是依靠機械接觸，但在現代工業生產中,越來越高的加工精度和技術指標要求有新型、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測的測量方法。光纖傳感器應運而生,它具有常規檢測技術不可比擬的諸多優點：可撓曲，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于工業，軍事和醫療等廣大領域。本文介紹了基于光纖傳感器的非接觸的位移測量系統，包括詳細的電路設計。試驗證明，該系統具有結構簡單，精度高，抗干擾能力強等優點。
1、測量原理系統選擇采用雙圓形光纖傳感器，放棄傳統的Y 型結構光纖傳感器。Y 型結構傳感器，具有一個輸入端和一個輸出端。這類結構的光纖傳感器易受入射光強變化，被測表面形貌不同等因素的影響。為提高測量精度，測量系統采用雙圓形光纖傳感器，它具有一個輸入端和兩個輸出端，并在探頭端排布成雙同心圓形。
2、總體設計基于光纖傳感器的位移測量系統如圖3 所示。它由光源驅動電路，光纖傳感器，光電探測器，前置放大電路，及后續的濾波及信號處理電路等部分組成。首先通過對氦氖激光器進行高頻調制，使激光發生器產生波長為1000Hz 的方波脈沖，激光通過光纖傳感器照射到待測表面，待測表面反射的光信號通過接收光纖傳送到光探測器a，b 轉換為模電信號，經過后續的前置放大、帶通濾波等電路處理，最終經A/D 采集模塊轉換為數字信號送入單片機進行軟件處理，通過標定曲線和插值得到被測面與光纖探頭之間的距離。
3、電路設計
3.1 光源驅動電路設計光源選用峰值波長為650 nm 的氦氖激光器，具有發光強度高，穩定的特點。雙通道光纖位移傳感器的輸出特性參量φ與注入光纖的光強無關，激光器發光強度的變化不影響φ，因此，可適當降低對光源穩定性的要求，毋須專門的穩定光強措施 [2]。為使系統不受環境光變化的影響，將對光源信號進行調制處理，使激光管工作于脈沖狀態，便于后續電路濾除干擾信號和濾波處理。激光管的方波光脈沖的頻率為1000Hz。
要保證傳感器的穩定性和精度，傳感器的光源必須非常穩定，不能隨負載和溫度變化，因此采用波形發生器lm567 產生1000Hz 的方波信號進行調制。lm567 可產生精密的方波輸出，此方波的峰到峰幅值等于電源電壓減去1.4V。這種方波發生器和負載特性極佳，任何大于1KΩ的電阻性負載均不會影響電路的功能。在實際測試中，芯片的工作狀態相當優異，頻率的漂移小于3Hz，電壓漂移小于30mv。
3.2 前置放大電路設計前置放大器是該測量系統的關鍵環節，它的穩定度、靈敏度直接決定整個統的性能指標。
它的主要功能是必須具有在強噪聲中接收微弱有用信號的能力，并能正確放大有用信號。由于光電三極管的光電流通常為微安量級的微弱信號，為了獲得較穩定的輸出必須考慮前置放大器的噪聲性能。為此，放大器應選擇輸入阻抗高、輸入偏置電流小、高穩定、低漂移的運算放大器，如ICL7650 運算放大器。ICL7650 居第四代運放，它利用動態校零的原理消除了CMOS 器件固有的失調和漂移，對弱信號來講是個理想的運算放大器 [3]。
3.3 濾波電路設計濾波電路主要包括雙T 濾波和帶通濾波兩部分。
雙 T 型濾波是帶阻濾波，主要目的是濾除以50HZ 工頻為主的電磁干擾[4]，為后續的處理創造有利條件。
從前置放大器出來的信號不僅包含有1kHz 的有用信號，還包含有一些雜散光和電磁場引入的高、低頻信號，因此在前置放大器后需要加一個帶通濾波器，主要使1kHz 的有用信號通過，而讓其他頻率的信號都得到很快很大的衰減，從而提高信噪比 [3]。
3.4 有效值轉換電路和 AD 轉換器交流/直流有效值電路采用芯片AD736 構成。AD 則采用12 位分辨率的高精度AD 芯片—AD1674。AD1674 的性能特點：(1)轉換速率快，轉換時間為10μs;(2)轉換精度高，滿量程校準誤差為0.1.25%;(3)分辨率高;(4)內部自帶高精度電壓基準和時鐘電路，外圍電路簡單;(5)模擬信號輸入范圍可為0~+10V，0~+20V 或設置為雙極性。本系統設置為0~+10V 輸入，單片機采取中斷方式獲取AD1674 轉換的結果。
4、測量結果的擬合通過觀察曲線可以發現，在400μm~1000μm 之間曲線的線性度較好。考慮到測量精度和單片機的處理能力，故采用三次多項式擬合，擬合曲線方程如下顯示：d=652.8φ3 -812.3φ2 +961.5φ+374通過對曲線通過對d—φ特性曲線的曲線擬合，進一步改善了測量效果。實驗結果表明，該系統最小分辨率優于3μm。
5、結論
本文提出了基于光纖傳感器的位移測量系統的設計方案。該方案給出了詳細的電路設計方案和擬合曲線方程。該方案具有結構簡單，非接觸、精度高，抗干擾能力強等特點。通過對d—φ特性曲線的曲線擬合，進一步改善了測量效果。實驗結果表明，該系統最小分辨率優于3μm。
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