基于NI ELVIS的光纖位移傳感實驗平臺設計

莫文琴， 任 迎

(中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著計算機技術快速發展，虛擬儀器逐漸改變了傳統儀器的設計模式，采用標準化的硬件設備完成信號采集，利用計算機強大的運算功能實現信號的處理和分析，從而使得用戶可以根據自身需求靈活的定義測試儀器的各項功能，滿足不同的應用場合，這是傳統儀器不可比擬的，因此在實驗教學中得到了廣泛的應用[1-5]。

實驗是課程教學中一項重要的環節，目前，傳統的光電檢測技術專業課實驗教學中，基本上采用的是硬件封裝好的實驗箱，并且不同的實驗內容配備不同的實驗箱。實驗箱不僅體積笨重、占用空間大，維護困難[6-7];而且提供的硬件電路是固定的，學生只能通過簡單插線操作來完成，無法深入理解和掌握課程基本理論和概念，從而限制了學生的創新和實踐能力的鍛煉。

基于現代光電檢測實驗教學中的現狀和需求，本文設計了基于NI ELVIS教學平臺的光纖位移傳感實驗系統，通過NI ELVIS高效、便捷電路搭建和軟件開發平臺，實現了光纖位移傳感實驗中電壓信號自動采集、記錄以及位移-電壓曲線的繪制。

1 NI ELVIS系列Ⅱ平臺簡介

NI教學實驗室虛擬儀器套件NI ELVISⅡ是NI公司結合NI數據采集卡和圖形化開發環境LabVIEW的設計與原型開發平臺，它本身集成了包括有:示波器、函數發生器、數字萬用表、阻抗分析儀等12種儀器[8];此外，該平臺采用高速USB即插即用連接方式，并且帶有±15 V、+5 V電源以及0～±12 V可編程電源，使得用戶可以方便地在原型設計面板上搭建電路，并通過NI LabVIEW圖形化系統設計軟件，快速實現信號的測量采集和顯示，非常適合在儀器儀表開發以及實驗教學中應用。

利用NI ELVIS教學平臺來實現具體測量電路的設計，可以通過圖1所示的流程進行開發:

(1)根據具體應用相關的理論知識確定檢測方案;

(2)在Multisim環境中調用NI ELVIS儀器完成電路的仿真;

(3)在NI ELVIS原型開發板上搭建模擬電路;

(4)通過NI LabVIEW實現測量、顯示、存儲和分析。

圖1 NI ELVISⅡ平臺開發流程

2 光纖位移傳感系統設計

光纖位移傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、體積小、重量輕、易于傳輸等優點，引起了人們的廣泛研究，在位移、加速度、振動以及壓力測量中得到了應用。基于NI ELVIS光纖位移傳感系統的設計，可以幫助學生理解強度調制型光纖傳感檢測技術，并通過電路搭建，掌握光調制、光電轉換、信號調理等重要概念。

2.1 檢測原理

光纖位移傳感器檢測方法主要分為兩種，一種是基于相位調制的激光干涉測量;另一種是基于強度調制的反射式光纖位移檢測[9-11];前者采用激光作為相干光源，利用干涉儀(邁克爾遜干涉等)實現微小位移檢測，精度較高，系統結構復雜，價格較高;后者主要由LED光源、發射光纖和接收、光電探測器組成，LED光源發出的光信號經過發射光纖傳至反射面，光信號經反射面反射后再由接收光纖接收并傳回光電探測器，當反射面和接收光纖形成相對移動時，光電探測器上的光信號將隨之改變，所以通過檢測探測器上的光信號便可得知反射面產生的機械位移。從檢測原理上，我們可知該方法雖然結構簡單，成本低廉，但是由于采用的是光強度調制的方法，光信號容易受到LED光源波動、背景光噪聲、電子干擾以及電子器件1/f噪聲的影響，此外，光信號經過反射面反射后，會產生較大的損失，光電探測器上的信號會非常微弱，因此該系統光電檢測電路的設計主要以降低噪聲為原則來考慮。

2.2 NI ELVIS平臺上檢測電路搭建

系統硬件結構圖如圖2所示，主要分為光發射模塊和光電信號檢測模塊。

圖2 系統硬件結構圖

2.2.1 光發射模塊

在光發射模塊中，考慮到強度調制的光電檢測系統中，光信號的強度隨外界量的變化而改變，所以強度的穩定性直接影響檢測的精度[12]，但是外界干擾光通常產生緩慢變化的準直流隨機信號，而且探測器的噪聲和放大電路的零漂也會引起直流誤差，所以我們選用NE555產生950 Hz的脈沖信號驅動LED發光，一方面消除以上信號干擾;另一方面使得二極管工作在間歇狀態，可以降低功耗，提高其使用壽命。

2.2.2 光電信號檢測模塊

光電信號檢測模塊中，PIN管將反射的光信號轉換成光電流，其工作模式有零偏置和反向偏置兩種。零偏置下，PIN管不存在暗電流，主要是分路電阻的熱噪聲，而在光電精密測量中，暗電流對微弱信號的影響較明顯，所以本設計采用零偏置模式，可以獲得較好的線性測量(見圖3)。此外，對光電二極管產生的光電流采用運算放大器電流-電壓轉換的方式來消除直接電壓監測遇到的嚴重非線性以及高的直流偏置問題[13]。

圖3 光纖位移傳感信號檢測電路

(1)濾波。由于本系統光源采用脈沖光調制方式，所以待測信號為950 Hz的光強度調制信號，除此之外的信號均為噪聲信號。在設計濾波器時，選用有源二階窄帶帶通濾波器來濾除疊加在待測信號上的噪聲，設置中心頻率為950 Hz，帶寬為100 Hz，使得光電二極管的熱噪聲和散粒噪聲信號大幅度衰減，有用信號通過，從而提高系統的信噪比，增強檢測微弱信號的能力。

(2)真有效值轉換。從濾波電路輸出波形來看，相對于光源驅動的標準脈沖信號，光電探測器輸出的光電流信號產生了一定變形，所以為了獲得波形真實的有效值，我們選取了AD公司的真有效值轉換器AD737來實現。它不同于以往的整流加平均的測量技術，而是采用信號平方后積分的平均技術，使其可以能夠精確測量各種波形的真實有效值，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、測量速率快以及準確度高等優點，其靜態功耗電流小于200 uA，輸入信號有效值范圍0～200 mV[14]。采用雙電源供電的方式，使得輸入信號有效值為零時，能得到正確的輸出[15]。R14為限流電阻，兩個二極管做雙向限幅，起過壓保護作用。引腳1和8短接，選擇AC+DC方式;腳3和6之間接濾波電容與轉換器內部電阻并聯，構成低通濾波器。

(3)反相比例調零電路。由于有效值轉換后得到是負電壓，需要通過反相比例放大器轉換為正電壓并進行放大;同時考慮到當反射面與光纖探頭距離為零時，輸出也應該為零，所以采用反相比例放大器的調零電路[16]來實現。通過電阻R15和 R16來實現2倍電壓放大，并根據±5 V的供電電壓以及留有裕量的失調電壓范圍來確定R18的阻值。

2.3 LabVIEW完成系統軟件設計

程序設計通過While循環等待用戶修改測量參數，通過事件結構響應前面板“測量”鍵值改變，由此開始測量過程。啟動測量后，①采用“拆分路徑”和“創建路徑”VI來創建測量記錄文件目錄和文件名;②在內層While循環內建立平鋪式順序結構完成一次信號電壓測量，其中第一步由前面板設定測量時間間隔，等待實驗硬件平臺上螺旋測微儀移動0.1 mm位移量，第二步利用DAQ完成1 000個數采樣，平均后作為此次最終電壓測量值，并根據初始位移量和當前測試次數確定實際位移;③將順序結構輸出電壓測量值和當前位移量分別創建數組，寫入文本文件，并通過“Build XY Graph”繪制位移變化曲線;④內層While循環中將實驗人員輸入的“采樣次數”遞減1與循環條件i進行比較來控制循環次數;一旦完成規定的次數，則跳出內層循環，并同時結束外層循環，程序結束。此外，由于目標是電壓和位移信號，在數據傳遞時需要用到“單位轉換”VI來實現數值和實際單位之間的轉換。

如圖4所示:前面板主要分為3部分，①是檢測原理圖和檢測電路，在前面板界面顯示以幫助學生了解實驗原理;②是參數設置部分，由于位移量是通過外部螺旋測微儀來調節，上位機無法自動獲悉外部調節何時完成，所以為了保證每次轉動0.1 mm后系統能夠自動記錄變化數據，通過“采樣間隔”控制每次采樣的時間間隔，等待外部測微儀調節完畢后，系統穩定后再進行測量。此外，采樣間隔、采樣次數和初始位移可以自行設置，方便學生根據實際實驗情況來確定相應的參數值;③是輸出部分，包括位移輸出曲線、已測次數以及當前電壓值。

測量完成后，如圖所示，可以得到光纖位移傳感器完整的前坡曲線，位移量大于2 mm之后，電壓變化幅度變小，線性度變差，因此，基于反射式光纖位移傳感器主要用于微小位移檢測，并且適用于小量程的位移變化。

圖4 光纖位移檢測系統前面板

3 結語

本文通過分析傳統儀器在光電檢測技術實驗課中存在的缺陷和不足，結合虛擬儀器在高校實驗教學中的應用優勢，按照NI ELVIS平臺上測試系統的開發流程，設計了基于NI ELVIS的反射式光纖位移傳感實驗平臺。實踐證明，相比于傳統的實驗箱，該實驗平臺通過提供自行搭建測試電路的機會，幫助學生加深了理論知識的理解，并鍛煉了實驗動手能力;通過提供開放的前面板和后面板，方便學生根據自身興趣對測量界面和功能進行修改，從而激發了學生創造性的思維。

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