基于單片機的光纖智能位移計設計

關正偉　黃娜

摘 要：當今世界是一個蓬勃發展的新時代，人們對高精度測量系統的需求日益增長，尤其在工程應用上。雖然市場上已有許多測量系統，但其測量結果易受外界影響，基于這個特性，本文設計了一款以單片機作為控制核心，光纖位移傳感器作為測量儀器的光纖智能位移計。

關鍵詞：單片機;光纖位移傳感器

近幾年來，運用高精密度、高速率的儀器來測定物體位移的方法愈發受到人們的關注，特別是針對微小位移量的檢測。目前市場上出現了各種測量微小位移的方式，主要有電容式位移法、加速度位移法、干涉條紋法等等，但因其性價比較低、測量精度不高且不能適應惡劣環境的特性，常常對測量結果造成很大的測量誤差，所以設計一款高精度且環境適應力強的位移計顯得尤為必要。

一、光纖智能位移計的背景及研究意義

位移傳感器一直是科研人員積極關注的熱點課題，其作用是把位移物理信號轉換為電信號。光纖傳感是近年來發展起來的一種分布式監測技術，其專為惡劣環境所設計，現已應用在地質勘查，工業監測等廣泛領域中，它具有靈敏度高、不受溫度和電子干擾、電氣隔離的安全級別高和耐水、耐高溫、耐腐蝕等特性。不僅應用在微波和射頻環境、核能和高溫環境中，還已經與物聯網技術結合，實行在線監測。

二、光纖傳感器的結構原理

反射式光纖位移傳感器的工作原理是從表面反射光的強度來實現反射。其原理如圖1.1所示：一個光纖耦合器將入射光纖和接收光纖以及測量光纖連接成Y型結構。即兩束光纖的一端合并為光纖探頭，另一端分叉為兩束，分別為光源光纖和接收光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當光源發出的光經光源光纖照射到位移反射體上后，被反射后部分被重新耦合入測量光纖，再經耦合器和接收光纖輸出，被光敏器件接收。其輸出光強決定于反射體距光纖探頭的距離，當位移改變時，則輸出光強作相應的變化。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。

三、光纖傳感器的工作原理

本設計采用的是反射式位移傳感器，它在一定范圍內位移與輸出信號成線性關系且性價比高。這種傳感器主要由兩條光纖組成，其纏繞方式為Y型光纖，其中一條光纖端口與光源相連，用于發送信號;另一條光纖端口與光電信號轉換器相連，用于接收信號。兩條光束混合后的端部是工作端，亦稱探頭，它與被測體相距X，由光源發出的光纖傳到端部出射后再經被測體反射回來，另一束光纖接收光信號，由光電轉換器轉換成電量，而光電轉換器轉換的電量大小與間距X有關，因此可用于測量位移。

四、光纖智能位移計的設計方案

本系統根據具體實現的功能選擇AT89C51、LCD1602、PCF8591等電子元件來組成智能光纖位移系統。本設計的光纖智能位移測量系統是在光纖傳感器傳遞測量電信號的情況下，對其信號進行模數轉換和電量放大，反饋至單片機中。單片機通過傳遞輸入信號，并控制顯示器和報警電路，使其顯示位移測量數據，其設計方案圖如圖1.3所示：

五、光纖位移計設計的工作原理

在實際測量時，光纖位移傳感器首先對測量值進行數據采樣，對采樣電信號連續讀5次，取最后一次的值為輸入信號。輸入信號是一個模擬的電信號，其通過A/D轉換器PCF8591進行模數轉換，同時PCF8591內部的放大電路將信號進行放大100倍，使其輸入電壓為0～5V電壓。轉換后的數字量被輸入單片機AT89C51中，通過地址讀取對數據進行讀寫，通過顯示器LCD1602讓其真實的測量值被顯示出來。本系統設定有自動報警功能，當超出系統默認的報警范圍10mm到40mm時，報警電路里的三極管被輸入高電平，則蜂鳴器發出響聲，報警電路啟動，同時LCD顯示器上顯示“out measure！”，提醒操作人員此時檢測對象已超出測量范圍，不能實現測量。此外本設計具有獨立復位功能，當系統啟動時，顯示器LCD1602顯示“measure start！”，提醒操作人員系統已準備完畢;并且當按鍵不需要額外設定時，顯示器LCD1602也顯示“measure start！”，界面初始化。

總結

由于新型傳感器技術的發展，人們為了提高位移計測量精度，對測量儀器做出了不斷地改良，故市面上各種各樣的位移計層出不窮。故本次設計的光纖智能位移計在測量領域起到了不容忽視的作用，其應用前景良好。它是一款利用單片機和光纖位移傳感器聯合作用的測量位移系統，可適用于惡劣環境下對位移的檢測，其具有誤差小、響應時間快等特性。

參考文獻

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