曾一凡，孫露露

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

側(cè)面發(fā)光塑料光纖位移檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾一凡，孫露露

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

對光纖傳感器進(jìn)行了創(chuàng)新研究，使用側(cè)面發(fā)光的塑料光纖作為該傳感器的探頭，并且利用塑料光纖通體發(fā)光的原理設(shè)計(jì)了一種全新的傳感器模式，使光纖傳感器的測量范圍量程在20 mm內(nèi)。該設(shè)計(jì)的目的就是使光纖傳感器不僅能夠微距測量，還可以大量程測量，量程范圍得到改善。其中光纖探頭部分的設(shè)計(jì)是重要的創(chuàng)新部分。該檢測系統(tǒng)由光源部分、光電轉(zhuǎn)換部分、信號處理系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換部分和顯示電路組成，在51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，通過軟件編程與硬件調(diào)試測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在0～20 mm內(nèi)待測距離與傳感器輸出的電壓成線性關(guān)系，誤差為0.781%。

塑料光纖；通體發(fā)光；探頭；傳感器；距離

由于在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中零件具有精密加工的規(guī)格和嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)，這促使一種在生產(chǎn)環(huán)境中對零件進(jìn)行非破壞性產(chǎn)品規(guī)格質(zhì)量檢測的新型、柔性好的光纖傳感器被應(yīng)用［1］。光纖傳感器是利用光纖傳感技術(shù)，將“傳”和“感”二者很好的結(jié)合起來，并且適宜于強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境，因而成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。，用光纖傳感器進(jìn)行非接觸的尺寸測量，是當(dāng)今測量領(lǐng)域中傳感技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向之一［2］。

位移在工業(yè)生產(chǎn)中也是一個非常重要的技術(shù)指標(biāo)，能夠檢測位移的位移傳感器也在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣范。光纖傳感器位移測量的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步解決了實(shí)際測量中對人工跑尺的需要，以及在人到達(dá)不了的危險(xiǎn)或者微小地方進(jìn)行位移的非接觸實(shí)時測量的許多常規(guī)測量難以實(shí)現(xiàn)的問題。其主要的優(yōu)點(diǎn)是高精度，因此還被應(yīng)用在需要精密測量的海洋監(jiān)測、軍用科技、生物工程、土木工程、智能結(jié)構(gòu)等眾多現(xiàn)代科技領(lǐng)域。

國外早在上個世紀(jì)70年代就開始對光纖傳感器進(jìn)行研究。美國海軍研究所（NRL）在1977年提出的光纖傳感系統(tǒng)（FOSS）計(jì)劃，到現(xiàn)在還一直執(zhí)行［3］。隨著理論與實(shí)踐的研究逐漸深入，世界各國對光纖傳感技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)室也逐漸增多，國際之間的學(xué)術(shù)交流也越發(fā)頻繁。在1983年確立召開國際光纖傳感器會議，該會議也是第一次在中國杭州召開。同年，英國在歐洲的傳感器展示會上面，展示出兩種光纖傳感器，一種是可以應(yīng)用于壓力、溫度、速度檢測的傳感器和完全光纖干涉儀；另一種是可適用于危險(xiǎn)的領(lǐng)域、電磁噪聲比較大的環(huán)境下的高分辨率的長沖程位移傳感器。1990年，德國的TifoPfeige等人利用美國的W.EFrank提出的利用光纖束作為光線位移傳感器傳感探頭的結(jié)構(gòu)方案研制出光纖位移傳感器，測量誤差小于10 μm［4］。其具有精度高的優(yōu)點(diǎn)。

目前國內(nèi)外光纖位移傳感器的設(shè)計(jì)主要分為基于相位調(diào)制的激光干涉式光纖位移傳感器（Laser Interferometric Optical Fiber Displacement Sensor，LIOFDS）和基于強(qiáng)度調(diào)制的反射式光纖位移傳感器（Reflective Optical Fiber Displacement Sensor，ROFDS）［5］。位移傳感器設(shè)計(jì)的核心主要是高精度、有足夠的量程用于測量、結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

考慮到激光干涉式光纖位移傳感器的高成本和反射式傳感器對待測平面平整度要求很高，不能用于大量程范圍測量的弊端。本課題對光纖傳感器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了側(cè)面發(fā)光塑料光纖位移檢測系統(tǒng)這個想法，選用了成本比較低，而且通透性能比較好的塑料光纖作為該創(chuàng)新光纖傳感器的主要器件，得到一個精度較好，而且量程足夠大的低成本的位移光纖傳感器。本課題的創(chuàng)新點(diǎn)就是對其光纖檢測探頭的設(shè)計(jì)以及使用塑料光纖作為該光纖傳感器的光纖。給出側(cè)面發(fā)光塑料光纖檢測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)出該檢測系統(tǒng)的光源部分、光電轉(zhuǎn)換部分、信號處理部分、A/D轉(zhuǎn)換部分和顯示部分。核心器件選用stc89c52單片機(jī)進(jìn)行控制，ICL7135芯片用于數(shù)據(jù)處理，最后得到不錯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　總體設(shè)計(jì)

側(cè)面發(fā)光塑料光纖位移傳感器的系統(tǒng)框圖如下圖1所示。由線型光源發(fā)出的光直接照射到塑料光纖的側(cè)面，然后經(jīng)過光纖傳播的光照射到到光敏元件中，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)光纖位置的變化（也就是待測位移量）使光纖中接收到的光的強(qiáng)度發(fā)生改變，這樣就會使光電轉(zhuǎn)換后的電信號也發(fā)生相應(yīng)的改變，對變化的電信號通過STC89C52單片機(jī)和一些相應(yīng)的芯片進(jìn)行處理，最后在數(shù)碼管LED中顯示出來待測的位移值，整個位移傳感器的設(shè)計(jì)就基本完成了。

圖1　測距系統(tǒng)電路原理框圖Fig.1Circuit principle diagram of distance measuring system

光纖傳感器主要包括5大部分，分別是光信號發(fā)生器（也就是光源）、光纖、光信號接收器（敏感元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換）、信號采集處理模塊。光源和塑料光纖的組合構(gòu)成了光纖傳感器的探頭部分，信號處理部分是對微弱的電壓進(jìn)行放大，A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示電路都由STC89C52單片機(jī)微處理器來控制，下面介紹各個模塊的設(shè)計(jì)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1光纖傳感探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是能夠側(cè)面發(fā)光的塑料光纖。塑料光纖在傳輸過程中，不僅將傳輸光從光纖的入射端面?zhèn)鬏斨脸跎涠嗣?，而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來，從而形成光纖側(cè)面發(fā)光的現(xiàn)象［6］。

光纖傳感器探頭主要由光源、塑料光纖探頭構(gòu)成。這一部分是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)也是一個難點(diǎn)，由于本設(shè)計(jì)是利用塑料光纖側(cè)面發(fā)光的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以在對各種光源經(jīng)過了多次的實(shí)驗(yàn)后，最終是選用射出650納米紅光的一個線型激光器，由于該激光器射出的光為一字型，正好使其攝入到塑料光纖的側(cè)面部位，使這一激光器和塑料光纖平行放置，光纖的水平高度固定，在水平的移動中使光通量發(fā)生改變，根據(jù)接收端光強(qiáng)的變化對光纖的水平位移量測量。光纖探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　光纖探頭部分圖示Fig.2The structure of optical fiber probe

由于該激光器光源射出的光為一字型，正好使其攝入到塑料光纖的側(cè)面部位，為了避免自然光的入射干擾，在將塑料光纖接收不到激光照射的部分用遮光物質(zhì)包裹起來，僅留出一個一字型的1 mm的縫隙，該縫隙和激光器射出的激光完全吻合。將光纖與激光器平行放置，光纖的水平高度固定，通過塑料光纖的水平移動來測量距離，在移動的過程中隨著x的改變光的通過量會發(fā)生改變，通過接收端光強(qiáng)的變化，確定數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

2.2光電轉(zhuǎn)換和放大電路的設(shè)計(jì)

傳感器部分設(shè)計(jì)完畢之后就是硬件電路設(shè)計(jì)部分，將光信號準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換成電信號。首先光電轉(zhuǎn)換部分是由綜合特性很好的額光電二極管來實(shí)現(xiàn)的，然后從光電二極管接收過來的微弱的電信號經(jīng)過放大器放大，該放大器為同向比例電壓負(fù)反饋放大器，放大倍數(shù)滿足公式：

其中R1=50 kΩ；R3=1 kΩ。所以該放大器的放大倍數(shù)為50倍，放大器后面還加入了一個電壓跟隨器，這一目的是為了穩(wěn)定輸出的電壓。然后這在將這部分放大的信號傳輸給STC89C52單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端并顯示出來。圖3為光電轉(zhuǎn)換和部分放大電路部分。

圖3　光電轉(zhuǎn)換和放大電路圖Fig.3Photoelectric conversion and amplifying circuit

本控制中心選的的STC89C52單片機(jī)器件是采用ATMEL高密度非易失性存儲器制造技術(shù)制造，增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時鐘/機(jī)器周期和12時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，運(yùn)行速度極高［7］。以該單片機(jī)為核心的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)該電路，使用的A/D外接芯片是ICL7135，是一個4位半CMOS雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，是雙積分方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的電路，每個周期分為4個階段：分別是自動調(diào)零階段、被測電壓積分階段、基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反積分階段和積分器返回零階段。

STC89C52和ICL7135的連接電路圖如圖4。該單片機(jī)的P1口連接ICL7135的數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端，使其經(jīng)過信號處理的電壓數(shù)據(jù)通過ICL7135的右端的輸入端輸入，然后內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過D1～D4和B1～B8傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)P1口，再在后續(xù)的顯示電路中顯示出來。

圖4　A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.4A/D conversion circuit

通過A/D采樣、轉(zhuǎn)換后的值在單片機(jī)控制的6個LED數(shù)碼管上顯示出來。單片機(jī)通過p0口控制LS138和CD4511作為6位共陰極數(shù)碼管的位選和段選顯示輸出位移值。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5　顯示電路圖Fig.5The display circuit connection

單片機(jī)P0口分別和LS138和CD4511相連，74LS138的輸出端，用來控制CD4511的鎖定控制端LE端口，CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED顯示器的BCD碼-七段譯碼器，特點(diǎn)是具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路，能提供較大的上拉電流，直接用于驅(qū)動LED顯示器。當(dāng)LE=0時，允許譯碼輸出；當(dāng)LE=1時，將輸出的數(shù)鎖定。這一設(shè)計(jì)簡化了繁瑣的輸出鎖定過程。配合軟件編程位移就能在LED上顯示出來。

3　軟件程序設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)好了之后，需要軟件對STC89C52進(jìn)行編程，運(yùn)用keil 4使用c語言編程，然后通過STC-ISP進(jìn)行下載。軟件編程是以單片機(jī)為核心，對其進(jìn)行控制，包括A/D轉(zhuǎn)換芯片讀寫控制，電壓—距離轉(zhuǎn)換運(yùn)算，時鐘分頻設(shè)計(jì)，數(shù)碼管顯示，數(shù)字濾波等。程序要檢測的外界輸入量是一個0～20 mm的距離，系統(tǒng)要把這個距離采集過來并在LED數(shù)碼管上顯示出來。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在傳感器的前沿工作區(qū)取20個測點(diǎn)，測出每個位移量所對應(yīng)的輸出電壓值，如表1所示。其中擬合直線為V= 0.096 1x-0.102 9。

表1　傳感器距離測量數(shù)據(jù)Tab.1Distance measurement data of sensor

測量結(jié)果表明該光纖位移傳感器的特性為：量程0～20 mm，其傳感器輸出端電壓與待測位移量呈線性關(guān)系，其誤差為0.781%。傳感器特性曲線如圖6所示。帶點(diǎn)的線為測量直線，另一條為擬合的直線。

5　結(jié)論

該設(shè)計(jì)經(jīng)過測試后數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，從曲線可以看出：側(cè)面發(fā)光光纖位移檢測系統(tǒng)的測量電壓是隨著待測位移量的增大而增大，基本呈線性比例關(guān)系，因此給出了待測電壓和待測位移量之間的公式。該設(shè)計(jì)的位移量程選用的是20 mm，因此該裝置可以應(yīng)用在相對較大范圍內(nèi)位移的測量。該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)床零件的測量和一些人工測量比較危險(xiǎn)的地方，應(yīng)用范圍比較廣泛。

圖6　測量曲線圖Fig.6Curve of measure

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Side-emitting plastic optical fiber displacement detection system

ZENG Yi-fan，SUN Lu-lu
（College of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

There are the innovative research for the fiber optic sensor，the side glowing plastic optical fiber as the sensor probe，according to the whole body emitting principle of plastic optical fiber，and using the side-emitting plastic optical fiber has devised a new sensor model and the optical fiber sensor of measuring range range within 20 mm.The purpose of this design is to make the optical fiber sensor not only macro measurement，can also be measured in a wide range，range scope of improvement.The important part of innovation is the design of the probe of the optical fiber.The detection system is consisted of the light source，the photoelectric conversion，the signal processing system，the A/D conversion and the display circuit，which is implemented on 51 single chip microcomputer，the last，the experimental result is measured by the software programming and hardware debugging.The experiment result shows the relationship between output and distance is linearity in the range from 0 to 20 mm，the error is 0.781%.

plastic optical fiber；the whole body emitting；probe；sensor；distance

TH711

A

1674-6236（2015）20-0123-04

2014-12-25稿件編號：201412244

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（211037）

曾一凡（1955—），男，遼寧沈陽人，碩士，教授。研究方向：信號與信息處理、單片機(jī)設(shè)計(jì)。