基于光纤传感器的位移测量系统
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
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。
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。
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。
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]。
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。
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]。
3.4 有效值转换电路和 AD 转换器交流/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。
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