基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設(shè)計基于光纖傳感器微位移測量系統(tǒng)的設(shè)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(dǎo)師：導(dǎo)師： 學(xué)號：學(xué)號： 20120511233 位移位移是工業(yè)產(chǎn)品重要的特征參數(shù)，過去的位移測是工業(yè)產(chǎn)品重要的特征參數(shù)，過去的位移測 量方法是依靠機(jī)械接觸，可是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中量方法是依靠機(jī)械接觸，可是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中, ,加工加工 精度和技術(shù)指標(biāo)都越來越高，所以需要一個新型、快速、精度和技術(shù)指標(biāo)都越來越高，所以需要一個新型、快速、 柔性好、能直接在生產(chǎn)過程中進(jìn)行非破壞性產(chǎn)品質(zhì)量檢柔性好、能直接在生產(chǎn)過程中進(jìn)行非破壞性產(chǎn)品質(zhì)量檢 測的測量方法。光纖傳感器應(yīng)

2、運而生測的測量方法。光纖傳感器應(yīng)運而生, ,它具有常規(guī)檢測它具有常規(guī)檢測 技術(shù)不可比擬的諸多優(yōu)點：體積小、適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁技術(shù)不可比擬的諸多優(yōu)點：體積小、適應(yīng)性強(qiáng)、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)域于工業(yè)，軍事和醫(yī)療等廣大領(lǐng)域。 本文本文內(nèi)容主要分為三大內(nèi)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(shè)計；第三板塊主要是對全文統(tǒng)的整體設(shè)計；第三板塊主要是對全文

3、的總結(jié)。的總結(jié)。 1. 微微位移測量的發(fā)展位移測量的發(fā)展 微微位移測量技術(shù)的發(fā)展歷程主要向兩個方向發(fā)展：位移測量技術(shù)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(chǔ)上的測量技術(shù)，利用量子物）建立在新概念基礎(chǔ)上的測量技術(shù)，利用量子物 理和微觀物理中最新的研究成果，將其應(yīng)用于測量系統(tǒng)理和微觀物理中最新的研究成果，將其應(yīng)用于測量系統(tǒng) 中，該技術(shù)將成為微位移測量的發(fā)展趨勢。中，該技術(shù)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(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的測試儀）在傳統(tǒng)測量方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的測試儀 器來解決微細(xì)加工和應(yīng)用物理中的微位移測量問題，通器來解決微細(xì)加工和應(yīng)用物理中的微位移測量

4、問題，通 過對各種測試技術(shù)的分析來找出改進(jìn)措施或者新的測試過對各種測試技術(shù)的分析來找出改進(jìn)措施或者新的測試 方法。方法。 2. 實物的實物的設(shè)計設(shè)計 本本設(shè)計選用使用很廣泛的設(shè)計選用使用很廣泛的MCS-51MCS-51系列單片機(jī)中系列單片機(jī)中的的 80518051單片機(jī)單片機(jī)。本系統(tǒng)的電路設(shè)計方面主要包括。本系統(tǒng)的電路設(shè)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(jī)一塊、單片機(jī)一塊、ADAD轉(zhuǎn)換芯轉(zhuǎn)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

5、、運算放大器 OPA4277OPA4277一塊、顯示屏一塊、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(shè)計以及重要芯片的引腳和功能進(jìn)器件的選擇、電路的設(shè)計以及重要芯片的引腳和功能進(jìn) 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(shè)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(jié)構(gòu)，測量端面要平整并垂直于型結(jié)構(gòu)，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

6、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(zhuǎn)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(zhì)、反射體轉(zhuǎn)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(zhì)、反射體 到光纖探頭距離有關(guān)。到光纖探頭距離有關(guān)。 當(dāng)當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨 著光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)著光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng) 光纖

7、探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強(qiáng)為零。光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強(qiáng)為零。 隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐 漸增加，到達(dá)最大值點又隨兩者的距離增加而減小。漸增加，到達(dá)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(guān)系之后就可以通過單片機(jī)的處在得到電壓與距離的關(guān)系之后就可以通過單片機(jī)的處 理將電壓轉(zhuǎn)換成距離顯示出來。理將電壓轉(zhuǎn)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(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路設(shè)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

8、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(zhì)量好、單色質(zhì)量好、率會隨時間做周期性的或隨即的波動，具有光束質(zhì)量好、單色質(zhì)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(jìn)行調(diào)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(jìn)行調(diào)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(jìn)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(jìn) 行濾波處理以及濾除干擾信號。在本次設(shè)計中為了保證傳感器的精準(zhǔn)度行濾波處理以及濾除干擾信號。在本次設(shè)計中為了保證傳感器的精準(zhǔn)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(chǎn)生產(chǎn)生100

9、0Hz 的方波信號進(jìn)行調(diào)制。的方波信號進(jìn)行調(diào)制。 電路電路如如下圖下圖所所示。示。 2.4 前前置放大電路設(shè)計置放大電路設(shè)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(shù)和零技術(shù)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(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、 漂移低、性能穩(wěn)定及

10、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(yīng)變電橋、電阻應(yīng)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(shè)計設(shè)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(zhì)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(zhì)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(zhì)信號都過濾掉，從而提高信噪比。信號通過，其它頻率的雜質(zhì)信號都

11、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(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 ADAD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換模塊我們選擇模塊我們選擇ICL7109ICL7109型型A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。由于目前逐次比較式的高速轉(zhuǎn)換器。由于目前逐次比較式的高速 1212位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器一般價格都很高，在要求速度不太高的轉(zhuǎn)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

12、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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ICL7109 ICL7109 。 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(jìn)制數(shù)，并位二進(jìn)制數(shù)，并 配有較強(qiáng)的接口功能，能方便的與各種微處理器相連配有較強(qiáng)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(zhuǎn)換結(jié)束時，該引腳發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 POLPOL：極性輸出，高電平表示ICL7109的輸出

13、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(zhuǎn)換結(jié)果輸出，B12為最高位，B1為最低位。 TESTTEST：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(qiáng)迫所有位B1B12輸出為高電平。 LBENLBEN：低電平使能端。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)MODE位高電平時，此信號將作為高位字節(jié)輸

14、出而用于信號交換 方式。 CE/LOADCE/LOAD：片選端。當(dāng)MODE為低電平時，它是數(shù)據(jù)輸出的主選通信號，當(dāng)本腳為低電平時，數(shù)據(jù) 正常輸出；當(dāng)本腳為高電平時，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(dāng)輸出低電平信號時，轉(zhuǎn)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(dāng)輸出高電平脈沖時，轉(zhuǎn)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(dāng)輸入 高電平時，轉(zhuǎn)換器將在信號交換方式的每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié) 尾輸出數(shù)據(jù)。 OSC INOSC IN：振蕩器輸入。 OSCOUTOSCOUT：振蕩器輸出。 OSCSE

15、LOSCSEL：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：運行/保持輸出。輸入高電平，每經(jīng)8192個時鐘脈沖均完成一次轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入低電平 時，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除積分階段并跳至自動調(diào)零階段，從而縮短了消除積分階段的時間， 提高了轉(zhuǎn)換速度。 V-V-：負(fù)電源，接5V。 REFUOTREFUOT：基準(zhǔn)電壓輸出，一般為+2，8V。 BUFBUF：緩沖器輸出。 AZAZ：自動調(diào)零電容Caz連接端。 INTINT：積分電容Cint連接端。 COMMONCOMMON：公共模擬端。 INL

16、OINLO：差分輸入低端。 INHIINHI：差分輸入高端。 REFIN+REFIN+：正差分基準(zhǔn)輸入端。 REFCAP+REFCAP+：正差分電容連接端。 REFCAP-REFCAP-：負(fù)差分電容連接端。 REFIN-REFIN-：負(fù)差分基準(zhǔn)輸入端。 V+V+：正電源，接+5V。 2.7 單片機(jī)單片機(jī)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(jīng)轉(zhuǎn)換以后變成電壓經(jīng)轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系，將電壓與壓與距離的對應(yīng)關(guān)系，將電壓與 距離的對應(yīng)關(guān)系輸入到距離的對應(yīng)關(guān)系輸入到MATLAB軟軟 件中進(jìn)行擬合，擬合出電壓距離件中進(jìn)行擬合，擬合出電壓距離 的公式，以此公式為標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)單片的公式，以此公式為標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)單片 機(jī)處理就可以將電壓信號轉(zhuǎn)換成機(jī)處理就可以將電壓信號轉(zhuǎn)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(jié)論結(jié)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(shè)計方提出了基于光