应用物理毕业论文：基于光纤传感器的位移检测设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）基于光纤传感器的位移测量检测系统所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于光纤传感器的位移测量检测系统摘要本文主要介绍了一个基于光纤传感器的位移测量系统。首先是说一下位移检测技术的现状和发展状况，光纤传感器的指标性能。介绍了不同种类的传感器的原理图，采用不同类型的传感器的优缺点，根据实际情况来选择使用合适的传感器。光纤传感器主要是光调制型光纤传感器和外调制式位移传感器。为了降低成本，简化实验思路，增加实用性，我们研究决定在强度可调调制式方案上，研究光闸式光纤位移实验。采用非相干光源半导体发光二极管，使用方波驱动对光源进行调制，减

2、小 LED 持续发光时间，使光源稳定。传感器结构设计巧妙，体积小、制造和安装方便，满足工程试验的要求。独特的光连接器设计使光纤与光纤位移仪分离，仪器便于携带。对微弱输入信号的放大、窄带带通滤波等电路的设计和采用的抗干扰措施，增强了实验系统的信噪比，对很多传感器的信号接收电路设计具有参考价值。1.测量范围：0-1000m； 2.测量分辨率：0.5m； 3.测量重复性 S：0.2% ； 4.线性度优于：3%。使用光纤束的方法扩大量程时，若增大光纤束芯径可为进一步扩大量程，但要注意其光连接器的设计，以增强与光纤耦合。关键词：位移检测技术 发光二极管 光纤耦合The displacement dete

3、ction system based on optical fiber sensor In this paperThis paper mainly introduces a displacement measurement system based on optical fiber sensor. First is that the present situation of displacement detection technology and the development status of fiber optic sensor indicator of performance. Th

4、e schematic diagram of different kinds of sensors are introduced, the advantages and disadvantages of using different types of sensors, according to actual co is mainly light modulation type fiber optic sensor and external pattern displacement sensor. In order to reduce cost, simplify the experiment

5、al idea, increase practical, we study on the strength can tone pattern scheme, the brake light optical fiber displacement experiment. Using incoherent light semiconductor light-emitting diodesndition to select the appropriate use of sensors. Optical fiber sensor Using square wave drive to modulation

6、 of light source, reduce the LED light duration, make the light source is stable. Sensor structure design is clever, small volume, convenient manufacture and installation, to meet the requirements of the engineering test. The unique optical connector design separate the optical fiber and optical fib

7、er displacement meter, portable instrument. For small input signal amplification, narrow bandpass filter circuit design and the anti-interference measures, such as to enhance the signal-to-noise ratio of the experiment system, for a lot of sensor signal receiving circuit design has the reference val

8、ue. Keywords: led optical fiber coupling displacement detection technology1. Measuring range: 0-1000 microns; 2. The measurement resolution: 0.5 microns; 3. The measurement repeatability S: + / - 0.2%; 4. The linearity is better than that: 3%. Use fiber bundle methods to expand the range, if increas

9、e the fiber bundle core diameter to further expand the scale, but should pay attention to the optical connector design, in order to enhance and fiber coupling. 目 录第一章 绪论 .11.1 位移检测概述及意义 .11.2 位移检测技术现状及发展 .11.3 光纤传感器概述 .21.3.1 光线传感器的现状及发展趋势 .21.3.2 光纤传感技术 .31.3.3 光纤传感器的主要技术指标 .3第二章 光纤位移传感器方案选择 .52.1

10、光相位调制型光纤传感原理 .52.2 光强调制型光纤传感原理 .72.2.2 外调制式位移传感器 .82.3 方案选择 .10第三章 光闸式位移测量的理论分析 .113.1 纤端光场分布特性模型理论分析 .113.1.1 以前的纤端出射光场场强分布公式 .113.1.2 纤端光场特性及假设 .113.1.3 纤端光场分布特性数学模型 .113.2 光闸式光纤位移测量的调制特性 .133.3 小结 .15第四章 位移检测系统解决方案之光闸式光纤传感器设计 .164.1 位移检测系统工作原理 .164.2 可能出现的主要问题 .164.3 强度补偿方法 .174.3.1 光路补偿方法 .174.3

11、.2 光源的补偿方法 .18第五章 位移电路设计 .205.1 光源及光接受器件 .205.1.1 半导体光源 .205.1.2 光探测器 .205.2 电路设计 .205.2.1 电源模块 .205.2.2 光源驱动电路 .205.2.3 光接收电路 .225.2.4 后续电路 .265.2.5 信号处理电路 .275.3 抗干扰技术 .305.3.1 空间辐射干扰的抑制 .305.3.2 印刷电路板的抗干扰 .305.3.3 A/D 转换中的抗干扰 .305.4 小结 .30结束语 .31参考文献 .32致谢 .341第一章 绪论1.1 位移检测概述及意义 1.2 位移检测技术现状及发展1

12、.3 光纤传感器概述1.3.1 光线传感器的现状及发展趋势 从 1990 年至今，世界上研究光纤产业的力度越来越大。和经典传感器相比，光纤传感器具有非常特殊的品质。抗电磁干扰能力强，耐高温高压，能够在许多恶劣条件下使用，例如、 、原子辐射、易爆、化学腐蚀等，灵敏度高和损耗低的优点让光纤传感器在很多地方派上用场，比如能够构成空间分布列阵及网络，应用于城市管理、环境测控等方面。因此，科学家指出了乐观的市场前景 3。1980 年，由于技术不达标，所以在市面上只能见到少量光纤传感器，其原因主要是、可靠性不高。传感器以前用途少，生产的比较少，所以价格较高 4。从 2000 开始，人们已经在医学方面利用传

13、感器对人体血液及血压测量。它可应用于小型侵入诊断，如小型外科手术 5。除了强度调制型传感器，另外，干涉陀螺仪是一类传感器，用途也比较广泛，它应用于航天航海、机器人工业、发动机及军事方面等方面 6。光纤传感器发展趋势：全光纤微型化，多参量实时化，高精度实用化，阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统。图(被测对象的市场份额分布（如图 1.1）)给出了各个被测量在 OFS 领域的市场份额，图( 光纤传感器的主要技术分布（如图 1.2）)示光纤传感器的主要技术分布 7。 图 1.1 被测对象的市场份额分布 图 1.2 光纤传感器的主要技术分布2Fig.1.1 Market share distribu

14、tion of the measured objectFig.1.2 The main technical distribution of fiber optic sensors1.3.2 光纤传感技术随着光纤传感技术发展，光纤通信技术的发展也蓬勃起来，光波为载体，光纤为介质，接受与传送外界被测量信号的新型传感技术。拥有一些特殊的、其他载体和介质无法比拟的优点。光波抗电磁干扰能力强，容易被接收，能够精准的进行光电转换或电光转换，可以便捷的和发展迅速的现代电子设备和计算机相匹配。 因此，光纤传感技术在绝大多数领域内得到研究和应用，并随之逐步完善和发展。 另一类调制区在光纤之外，这一类为非功能型光

15、纤传感器，它也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器 8。它的用途也比较广泛，便于普及，在日常生活中也能用到。1.3.3 光纤传感器的主要技术指标 1.量程 度量工具的分度值与最大值。 2.准确度测量得到的数据与真实值之间的接近程度来反映准确度。3.重复性 反复进行测量一项数据，然后得到数据结果进行分析，这个来回进行的过程就是重复性。 21()niiXs(1.1)4.线性度 用曲线表示传感器特性间的关系和工作属性偏离的大小。(1.2) y=10%iinx线 性5.迟滞(回差)迟滞就是回差，是传感器的指标。3(1.3) ()()=10%ycfiin迟 滞6.灵敏度 传感器在一定条件下受到外界因素影

16、响，在稳定情况下输出量的比值（即直线的斜率） 。7.测量分辨力 测量装置量程的最小刻度。注意不是“分辨率” 。是传感器能感受到的被测量的能力的变化的最小范围。第二章 光纤位移传感器方案选择2.1 光相位调制型光纤传感原理当光纤传感器使用相位调制时是利用外界因素引起光波在光纤中相位变化。特点：灵敏度高、灵活多样、对象广泛、对光纤有特殊要求、单模传输。1.应力应变效应当光波通过光纤所产生的相位延迟：2L(2.1)其中：=0/n 光纤中光的传播波长， 0 为光在真空中的传播波长。2为光在真空中的传播波长。为光在光纤中的传播常数。如果机械力作用到光纤，光纤的长度、芯径、折射率会发生变化，导致的相位变化

17、可描述为：(2.2)LLnLr第一项：应变效应，纵向（轴向）作用 4第二项：弹光效应，折射率的变化 第三项：泊松效应，横向作用 2.干涉测量 光的相干条件 （1） 两束光必须有相同的频率， 同方向，有稳定相位差。（2） 两束光的振幅要吻合。（3） 光程差不能太大。 3.光纤干涉仪方便做到精准，动态测试量程广。 假设两束相干光是 I1、I 2，干涉光强为：(2.3)1212cosIII迈克尔逊（Michelson）干涉仪(如图 2.1)图 2.1 迈克尔逊干涉仪示意Fig.2.1 Michelson interferometer signal当进行测量时，分光器 B 把一束激光分成两束，当这两束光经过参照面 M1 和目标反射面 M2 后从原光路回去，而且又一次相遇在分光点 O 处，这时两束光之间的光程差是： (2.4)12mcnL公式中子母依次表示：空气折射率，目标反射镜面到分光点的距离，参考反射面到分光点的距离。测量完毕时，移过反射面 MZ，被放置在 M2 的位置。得到两束光之间的光程差：(2.5)2 12mcnLnL从开始到结束，光程差变化：(2.6)21d