基于光強調制的接觸式光纖位移傳感器設計

1、基于光強調制的接觸式光纖位移傳感器設計孫乃迪 劉原野 張曄 宋寧寧航天學院指導教師：劉麗華 教授一、課題研究目的光纖傳感器目前已被廣泛用于各種物理量和幾何量的測量與控制中，位移檢測是幾何量檢測的基礎，目前常用的非接觸式測量位移的方法，受環(huán)境和被測物體表面狀況的影響，其精度提高受到制約。本項目就是研究一種光纖傳感器接觸式測量位移的方法，設計相應的測試儀器，以其拓展光纖傳感器測量位移手段的多樣化。二、課題背景強度調制光纖傳感器是最早發(fā)展起來的一種光纖傳感器，其特點是簡單、可靠、經(jīng)濟，發(fā)展較為成熟，目前所應用的強度調制光纖位移傳感器均為非接觸式，因其構造簡單，不受電磁干擾等特點而被廣泛應用，但被測物

2、體表面狀況變化、環(huán)境光干擾是此方法不可避免的影響精度的因素，傳統(tǒng)的非接觸式測量只能在數(shù)據(jù)的處理上減小這些影響。本項目中接觸式測量方法的采用即欲從原始測量中盡可能的減弱以上因素的影響。三、課題研究主要內(nèi)容主要研究包括：半導體激光器（LD）和光電接收器（PD）的選擇及其驅動電路的設計；光纖傳感測頭中光纖頭和測頭的固定以及調整部分設計；數(shù)據(jù)采集及處理、結果顯示；對測量系統(tǒng)進行穩(wěn)定性、重復性、精度比對的測試。1測量原理z反射體發(fā)射光纖接收光纖圖1 反射式光強調制原理示意圖圖1為本項目采用的反射式光強調制的原理示意圖。發(fā)射光纖端面射出的光成圓錐型，此光束經(jīng)反射體反射后，部分或全部進入接收光纖，當改變發(fā)射

3、光纖端面相對于反射體的間距z時，接收光纖接收到的反射光總量將發(fā)生變化，即對所傳輸?shù)墓膺M行了調制。被調制的光信號由PD轉變?yōu)殡娦盘?，送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，即可獲得被測的位移值。2總體方案LD驅動電路LD數(shù)據(jù)處理顯示x測頭電路部分光纖傳感測頭部分工作臺傳輸光纖圖2 接觸式光纖位移傳感器組成框圖被測件數(shù)據(jù)處理部分PD驅動電路PDA/D設計的系統(tǒng)由電路部分、光纖傳感測頭部分和數(shù)據(jù)處理部分組成，如圖2所示。3電路部分設計（1）LD與PD選擇經(jīng)調研，最終確定LD選用中心波長為850nm的近紅外半導體激光器，PD選用S09003型PIN-FET混合集成光電接收器，它在850nm波長的光譜響應度最大，為1V

4、/W。（2）電路設計電路原理如圖3所示，包括變壓器模塊，整流濾波模塊，慢啟動模塊，穩(wěn)壓模塊，其中慢啟動模塊采用了RC串聯(lián)電路實現(xiàn)，最終達到I=150（mA），t=15（s）的慢啟動效果，對于選擇的LD， 25mA的注入電流和1.5s的響應時間是十分理想的。圖3 電路原理圖AC 220VFUSEBD1BD2TRC1C2C3C4RDIC1ST850C5C6C7C8IC2IC3A/DCPUP7812S090034光纖傳感測頭部分設計圖4為光纖傳感測頭的結構示意圖，套筒可以防止環(huán)境光的干擾，為滿足測頭可伸縮的要求，采用了中徑D=28，彈簧絲直徑d=2，工作行程h=25的彈簧；設計的測頭結構可靈敏的反應

5、出被測件經(jīng)測頭所傳遞的位移信息；為方便調整，采用可拆卸結構。發(fā)射光纖接收光纖反射鏡支架套筒測頭圖4 光纖傳感測頭的結構示意圖5數(shù)據(jù)處理部分設計采用VB語言編制軟件，其具備以下功能：數(shù)據(jù)采集：采用型號為HK-PCI812的數(shù)據(jù)采集卡；標定：使用型號為TEMP No.0089-06A的步進電機，由軟件控制步進電機帶動工作臺（被測件）運動，得到被測件位移與電壓的關系；測量：包括位移測量和表面粗糙度測量，在標定的基礎上，用測得電壓與已知的標定關系進行線性插值計算，獲得被測件的實際位移值與表面粗糙度值；其他功能：包括數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等。四、結論1項目成果圖5、圖6是測試系統(tǒng)實物照片。圖6 測量工作

6、臺圖5 測量系統(tǒng)2測試結果（1）穩(wěn)定性測試開啟激光器半小時，待采集電壓穩(wěn)定后，再開始測量相應數(shù)據(jù)，記錄10分鐘的電壓數(shù)據(jù)，計算得到電壓標準差為3.0mV。（2）標定用千分表對本系統(tǒng)進行標定，經(jīng)標定得到實際的測量范圍在04mm左右。（3）重復性測試圖7 精度比對測試曲線選取測量范圍內(nèi)2.400mm，2.600mm，2.800mm位置上的3點，每點測量10次，得到的重復性標準差分別為2.98µm，6.49µm，8.82µm。（4）精度比對測試用千分表做基準，做精度比對測試，圖7為精度比對測試曲線。（5）表面粗糙度測試對采用四種不同方法加工的被測件表面進行測量，得到四個表面的表面粗糙度Ra分別為 43.8m、14.7m、24.3m、32.8m。3結論所設計的光纖傳感測頭結構，既消除了環(huán)境光的干擾，又消除了被測件表面狀況不一致對測量結果的影響。測試結果表明，測量儀測量范圍不小于4mm，并且其精度為滿量程的±1.5%。以上結果均達到了預期目標。五、體會與收獲通過這次科技創(chuàng)新，我們收獲頗多，不但對已學知識有了更深刻的理解，而且又補充了很多專業(yè)知識。在實驗中，我們學會了許多儀器的操作，并且通過焊制電路板、程序編寫及整機調試等工作，提高了動手能力和解決實際問題的能力。研究中經(jīng)歷了很多過程，包括資料收集