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基于光纖傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)
摘要：本文介紹了一個(gè)基于光纖傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)放棄了傳統(tǒng)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(huán)境光波動(dòng)，光探測(cè)器漂移等因素的影響，提高測(cè)量精度。方案給出了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)和擬合曲線方程。電路部分包括光源驅(qū)動(dòng)電路，光電探測(cè)器，前置放大電路，及后續(xù)的濾波及信號(hào)處理電路等部分。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸、精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)分辨率優(yōu)于3μm。
關(guān)鍵詞： 位移測(cè)量;光纖傳感器;非接觸式測(cè)量;電路設(shè)計(jì)
0、引言
位移是工業(yè)產(chǎn)品的重要特征參數(shù)，以往典型的測(cè)位移方法是依靠機(jī)械接觸，但在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,越來(lái)越高的加工精度和技術(shù)指標(biāo)要求有新型、快速、柔性好、能直接在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行非破壞性產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的測(cè)量方法。光纖傳感器應(yīng)運(yùn)而生,它具有常規(guī)檢測(cè)技術(shù)不可比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)：可撓曲，抗電磁干擾，靈敏度高等，因而各種光纖傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，軍事和醫(yī)療等廣大領(lǐng)域。本文介紹了基于光纖傳感器的非接觸的位移測(cè)量系統(tǒng)，包括詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
1、測(cè)量原理系統(tǒng)選擇采用雙圓形光纖傳感器，放棄傳統(tǒng)的Y 型結(jié)構(gòu)光纖傳感器。Y 型結(jié)構(gòu)傳感器，具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。這類(lèi)結(jié)構(gòu)的光纖傳感器易受入射光強(qiáng)變化，被測(cè)表面形貌不同等因素的影響。為提高測(cè)量精度，測(cè)量系統(tǒng)采用雙圓形光纖傳感器，它具有一個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，并在探頭端排布成雙同心圓形。
2、總體設(shè)計(jì)基于光纖傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)如圖3 所示。它由光源驅(qū)動(dòng)電路，光纖傳感器，光電探測(cè)器，前置放大電路，及后續(xù)的濾波及信號(hào)處理電路等部分組成。首先通過(guò)對(duì)氦氖激光器進(jìn)行高頻調(diào)制，使激光發(fā)生器產(chǎn)生波長(zhǎng)為1000Hz 的方波脈沖，激光通過(guò)光纖傳感器照射到待測(cè)表面，待測(cè)表面反射的光信號(hào)通過(guò)接收光纖傳送到光探測(cè)器a，b 轉(zhuǎn)換為模電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)的前置放大、帶通濾波等電路處理，最終經(jīng)A/D 采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行軟件處理，通過(guò)標(biāo)定曲線和插值得到被測(cè)面與光纖探頭之間的距離。
3、電路設(shè)計(jì)
3.1 光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)光源選用峰值波長(zhǎng)為650 nm 的氦氖激光器，具有發(fā)光強(qiáng)度高，穩(wěn)定的特點(diǎn)。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(qiáng)無(wú)關(guān)，激光器發(fā)光強(qiáng)度的變化不影響φ，因此，可適當(dāng)降低對(duì)光源穩(wěn)定性的要求，毋須專(zhuān)門(mén)的穩(wěn)定光強(qiáng)措施 [2]。為使系統(tǒng)不受環(huán)境光變化的影響，將對(duì)光源信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理，使激光管工作于脈沖狀態(tài)，便于后續(xù)電路濾除干擾信號(hào)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(wěn)定性和精度，傳感器的光源必須非常穩(wěn)定，不能隨負(fù)載和溫度變化，因此采用波形發(fā)生器lm567 產(chǎn)生1000Hz 的方波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。lm567 可產(chǎn)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(fā)生器和負(fù)載特性極佳，任何大于1KΩ的電阻性負(fù)載均不會(huì)影響電路的功能。在實(shí)際測(cè)試中，芯片的工作狀態(tài)相當(dāng)優(yōu)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(shè)計(jì)前置放大器是該測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的穩(wěn)定度、靈敏度直接決定整個(gè)統(tǒng)的性能指標(biāo)。
它的主要功能是必須具有在強(qiáng)噪聲中接收微弱有用信號(hào)的能力，并能正確放大有用信號(hào)。由于光電三極管的光電流通常為微安量級(jí)的微弱信號(hào)，為了獲得較穩(wěn)定的輸出必須考慮前置放大器的噪聲性能。為此，放大器應(yīng)選擇輸入阻抗高、輸入偏置電流小、高穩(wěn)定、低漂移的運(yùn)算放大器，如ICL7650 運(yùn)算放大器。ICL7650 居第四代運(yùn)放，它利用動(dòng)態(tài)校零的原理消除了CMOS 器件固有的失調(diào)和漂移，對(duì)弱信號(hào)來(lái)講是個(gè)理想的運(yùn)算放大器 [3]。
3.3 濾波電路設(shè)計(jì)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(xù)的處理創(chuàng)造有利條件。
從前置放大器出來(lái)的信號(hào)不僅包含有1kHz 的有用信號(hào)，還包含有一些雜散光和電磁場(chǎng)引入的高、低頻信號(hào)，因此在前置放大器后需要加一個(gè)帶通濾波器，主要使1kHz 的有用信號(hào)通過(guò)，而讓其他頻率的信號(hào)都得到很快很大的衰減，從而提高信噪比 [3]。
3.4 有效值轉(zhuǎn)換電路和 AD 轉(zhuǎn)換器交流/直流有效值電路采用芯片AD736 構(gòu)成。AD 則采用12 位分辨率的高精度AD 芯片—AD1674。AD1674 的性能特點(diǎn)：(1)轉(zhuǎn)換速率快，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs;(2)轉(zhuǎn)換精度高，滿量程校準(zhǔn)誤差為0.1.25%;(3)分辨率高;(4)內(nèi)部自帶高精度電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路，外圍電路簡(jiǎn)單;(5)模擬信號(hào)輸入范圍可為0~+10V，0~+20V 或設(shè)置為雙極性。本系統(tǒng)設(shè)置為0~+10V 輸入，單片機(jī)采取中斷方式獲取AD1674 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
4、測(cè)量結(jié)果的擬合通過(guò)觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，在400μm~1000μm 之間曲線的線性度較好�？紤]到測(cè)量精度和單片機(jī)的處理能力，故采用三次多項(xiàng)式擬合，擬合曲線方程如下顯示：d=652.8φ3 -812.3φ2 +961.5φ+374通過(guò)對(duì)曲線通過(guò)對(duì)d—φ特性曲線的曲線擬合，進(jìn)一步改善了測(cè)量效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)最小分辨率優(yōu)于3μm。
5、結(jié)論
本文提出了基于光纖傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案給出了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)方案和擬合曲線方程。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸、精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)d—φ特性曲線的曲線擬合，進(jìn)一步改善了測(cè)量效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)最小分辨率優(yōu)于3μm。
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