側面發光塑料光纖位移檢測系統的設計

曾一凡，孫露露

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110870）

側面發光塑料光纖位移檢測系統的設計

曾一凡，孫露露

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110870）

對光纖傳感器進行了創新研究，使用側面發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光的原理設計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。該設計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計是重要的創新部分。該檢測系統由光源部分、光電轉換部分、信號處理系統、A/D轉換部分和顯示電路組成，在51單片機上實現，通過軟件編程與硬件調試測得實驗數據。實驗數據表明，在0～20 mm內待測距離與傳感器輸出的電壓成線性關系，誤差為0.781%。

塑料光纖；通體發光；探頭；傳感器；距離

由于在現代工業生產中零件具有精密加工的規格和嚴格的技術指標，這促使一種在生產環境中對零件進行非破壞性產品規格質量檢測的新型、柔性好的光纖傳感器被應用［1］。光纖傳感器是利用光纖傳感技術，將“傳”和“感”二者很好的結合起來，并且適宜于強電磁干擾等惡劣環境，因而成為傳感技術的先導，推動著傳感技術蓬勃發展。，用光纖傳感器進行非接觸的尺寸測量，是當今測量領域中傳感技術發展的主導方向之一［2］。

位移在工業生產中也是一個非常重要的技術指標，能夠檢測位移的位移傳感器也在工業上的應用也越來越廣范。光纖傳感器位移測量的實現進一步解決了實際測量中對人工跑尺的需要，以及在人到達不了的危險或者微小地方進行位移的非接觸實時測量的許多常規測量難以實現的問題。其主要的優點是高精度，因此還被應用在需要精密測量的海洋監測、軍用科技、生物工程、土木工程、智能結構等眾多現代科技領域。

國外早在上個世紀70年代就開始對光纖傳感器進行研究。美國海軍研究所（NRL）在1977年提出的光纖傳感系統（FOSS）計劃，到現在還一直執行［3］。隨著理論與實踐的研究逐漸深入，世界各國對光纖傳感技術研究的實驗室也逐漸增多，國際之間的學術交流也越發頻繁。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的領域、電磁噪聲比較大的環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構方案研制出光纖位移傳感器，測量誤差小于10 μm［4］。其具有精度高的優點。

目前國內外光纖位移傳感器的設計主要分為基于相位調制的激光干涉式光纖位移傳感器（Laser Interferometric Optical Fiber Displacement Sensor，LIOFDS）和基于強度調制的反射式光纖位移傳感器（Reflective Optical Fiber Displacement Sensor，ROFDS）［5］。位移傳感器設計的核心主要是高精度、有足夠的量程用于測量、結構簡單，便于實現應用。

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行創新設計，提出了側面發光塑料光纖位移檢測系統這個想法，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。本課題的創新點就是對其光纖檢測探頭的設計以及使用塑料光纖作為該光纖傳感器的光纖。給出側面發光塑料光纖檢測系統硬件系統的結構框圖，設計出該檢測系統的光源部分、光電轉換部分、信號處理部分、A/D轉換部分和顯示部分。核心器件選用stc89c52單片機進行控制，ICL7135芯片用于數據處理，最后得到不錯的實驗結果。

1　總體設計

側面發光塑料光纖位移傳感器的系統框圖如下圖1所示。由線型光源發出的光直接照射到塑料光纖的側面，然后經過光纖傳播的光照射到到光敏元件中，進行光電轉換，將光信號轉換成電信號，根據光纖位置的變化（也就是待測位移量）使光纖中接收到的光的強度發生改變，這樣就會使光電轉換后的電信號也發生相應的改變，對變化的電信號通過STC89C52單片機和一些相應的芯片進行處理，最后在數碼管LED中顯示出來待測的位移值，整個位移傳感器的設計就基本完成了。

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

光纖傳感器主要包括5大部分，分別是光信號發生器（也就是光源）、光纖、光信號接收器（敏感元件進行光電轉換）、信號采集處理模塊。光源和塑料光纖的組合構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行放大，A/D轉換電路和顯示電路都由STC89C52單片機微處理器來控制，下面介紹各個模塊的設計。

2　系統硬件設計

2.1光纖傳感探頭結構設計

本設計應用的是能夠側面發光的塑料光纖。塑料光纖在傳輸過程中，不僅將傳輸光從光纖的入射端面傳輸至初射端面，而且還有一部分光從光纖包覆層透射出來，從而形成光纖側面發光的現象［6］。

光纖傳感器探頭主要由光源、塑料光纖探頭構成。這一部分是本課題的創新點也是一個難點，由于本設計是利用塑料光纖側面發光的原理進行設計，所以在對各種光源經過了多次的實驗后，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生改變，根據接收端光強的變化對光纖的水平位移量測量。光纖探頭結構如圖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生改變，通過接收端光強的變化，確定數據，進行進一步的實驗。

2.2光電轉換和放大電路的設計

傳感器部分設計完畢之后就是硬件電路設計部分，將光信號準確的轉換成電信號。首先光電轉換部分是由綜合特性很好的額光電二極管來實現的，然后從光電二極管接收過來的微弱的電信號經過放大器放大，該放大器為同向比例電壓負反饋放大器，放大倍數滿足公式：

其中R1=50 kΩ；R3=1 kΩ。所以該放大器的放大倍數為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單片機的A/D轉換端并顯示出來。圖3為光電轉換和部分放大電路部分。

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

本控制中心選的的STC89C52單片機器件是采用ATMEL高密度非易失性存儲器制造技術制造，增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051，運行速度極高［7］。以該單片機為核心的基礎上設計該電路，使用的A/D外接芯片是ICL7135，是一個4位半CMOS雙積分型A/D轉換器，是雙積分方式進行A/D轉換的電路，每個周期分為4個階段：分別是自動調零階段、被測電壓積分階段、基準電壓進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。該單片機的P1口連接ICL7135的數據輸出和數據轉換端，使其經過信號處理的電壓數據通過ICL7135的右端的輸入端輸入，然后內部進行轉換，之后將轉換得到的數據通過D1～D4和B1～B8傳輸到單片機P1口，再在后續的顯示電路中顯示出來。

圖4　A/D轉換電路Fig.4A/D conversion circuit

通過A/D采樣、轉換后的值在單片機控制的6個LED數碼管上顯示出來。單片機通過p0口控制LS138和CD4511作為6位共陰極數碼管的位選和段選顯示輸出位移值。設計電路如圖5所示。

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

單片機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是一個用于驅動共陰極LED顯示器的BCD碼-七段譯碼器，特點是具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路，能提供較大的上拉電流，直接用于驅動LED顯示器。當LE=0時，允許譯碼輸出；當LE=1時，將輸出的數鎖定。這一設計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　軟件程序設計

硬件部分設計好了之后，需要軟件對STC89C52進行編程，運用keil 4使用c語言編程，然后通過STC-ISP進行下載。軟件編程是以單片機為核心，對其進行控制，包括A/D轉換芯片讀寫控制，電壓—距離轉換運算，時鐘分頻設計，數碼管顯示，數字濾波等。程序要檢測的外界輸入量是一個0～20 mm的距離，系統要把這個距離采集過來并在LED數碼管上顯示出來。

4　實驗結果

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

表1　傳感器距離測量數據Tab.1Distance measurement data of sensor

測量結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系，其誤差為0.781%。傳感器特性曲線如圖6所示。帶點的線為測量直線，另一條為擬合的直線。

5　結論

該設計經過測試后數據曲線如圖6所示，從曲線可以看出：側面發光光纖位移檢測系統的測量電壓是隨著待測位移量的增大而增大，基本呈線性比例關系，因此給出了待測電壓和待測位移量之間的公式。該設計的位移量程選用的是20 mm，因此該裝置可以應用在相對較大范圍內位移的測量。該設計可以應用在工業機床零件的測量和一些人工測量比較危險的地方，應用范圍比較廣泛。

圖6　測量曲線圖Fig.6Curve of measure

［1］葛曉靜，聶帥華.光纖傳感器的原理及應用［J］.應用技術與研究，2011（5）：68-70. GE Xiao-jing，NIE Shuai-hua.Principles and applications of fiber optic sensors［J］.Applied Technology and Research，2011（5）：68-70.

［2］王騰.一種新型的磨屑在線監測傳感器的實驗研究［J］.太原科技大學學報，2008（2）：24-28. WANG Teng.An experimental study of new debris line monitoring sensors［J］.Journal of Taiyuan University of Science and Technology，2008（2）：24-28.

［3］PfeiferT.Fiber optics for In-Line Production Measurement［J］. Ann CIRP，1992，41（1）：571-577.

［4］盧一鑫，楊璐娜.光纖傳感器的應用現狀與未來發展趨勢［J］.科技信息，2011（3）：113-114. LU Yi-xin，YANG Lu-na.Application status and future trends of fiber optic sensor［J］.Science and Technology Information，2011（3）：113-114.

［5］J C HA，Jeff.Duryea，Carol.Davis and Jeff Bush.Fiber Optic Rate Gyros［J］.SPIE，1996：152-163.

［6］陳鵬.塑料光纖技術發展與應用分析研究［J］.電信科學，2011（8）：94-100. CHEN Peng.Development and application analysis of plastic opticalfibertechnologydevelopmentandapplication analysis［J］.Telecommunications Science，2011（8）：94-100.

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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

教育部科學技術研究重點項目（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、單片機設計。