基于单片机的光纤智能位移计设计

关正伟　黄娜

摘 要：当今世界是一个蓬勃发展的新时代，人们对高精度测量系统的需求日益增长，尤其在工程应用上。虽然市场上已有许多测量系统，但其测量结果易受外界影响，基于这个特性，本文设计了一款以单片机作为控制核心，光纤位移传感器作为测量仪器的光纤智能位移计。

关键词：单片机;光纤位移传感器

近几年来，运用高精密度、高速率的仪器来测定物体位移的方法愈发受到人们的关注，特别是针对微小位移量的检测。目前市场上出现了各种测量微小位移的方式，主要有电容式位移法、加速度位移法、干涉条纹法等等，但因其性价比较低、测量精度不高且不能适应恶劣环境的特性，常常对测量结果造成很大的测量误差，所以设计一款高精度且环境适应力强的位移计显得尤为必要。

一、光纤智能位移计的背景及研究意义

位移传感器一直是科研人员积极关注的热点课题，其作用是把位移物理信号转换为电信号。光纤传感是近年来发展起来的一种分布式监测技术，其专为恶劣环境所设计，现已应用在地质勘查，工业监测等广泛领域中，它具有灵敏度高、不受温度和电子干扰、电气隔离的安全级别高和耐水、耐高温、耐腐蚀等特性。不仅应用在微波和射频环境、核能和高温环境中，还已经与物联网技术结合，实行在线监测。

二、光纤传感器的结构原理

反射式光纤位移传感器的工作原理是从表面反射光的强度来实现反射。其原理如图1.1所示：一个光纤耦合器将入射光纤和接收光纤以及测量光纤连接成Y型结构。即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉为两束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。当光源发出的光经光源光纤照射到位移反射体上后，被反射后部分被重新耦合入测量光纤，再经耦合器和接收光纤输出，被光敏器件接收。其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移改变时，则输出光强作相应的变化。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。

三、光纤传感器的工作原理

本设计采用的是反射式位移传感器，它在一定范围内位移与输出信号成线性关系且性价比高。这种傳感器主要由两条光纤组成，其缠绕方式为Y型光纤，其中一条光纤端口与光源相连，用于发送信号;另一条光纤端口与光电信号转换器相连，用于接收信号。两条光束混合后的端部是工作端，亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号，由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

四、光纤智能位移计的设计方案

本系统根据具体实现的功能选择AT89C51、LCD1602、PCF8591等电子元件来组成智能光纤位移系统。本设计的光纤智能位移测量系统是在光纤传感器传递测量电信号的情况下，对其信号进行模数转换和电量放大，反馈至单片机中。单片机通过传递输入信号，并控制显示器和报警电路，使其显示位移测量数据，其设计方案图如图1.3所示：

五、光纤位移计设计的工作原理

在实际测量时，光纤位移传感器首先对测量值进行数据采样，对采样电信号连续读5次，取最后一次的值为输入信号。输入信号是一个模拟的电信号，其通过A/D转换器PCF8591进行模数转换，同时PCF8591内部的放大电路将信号进行放大100倍，使其输入电压为0～5V电压。转换后的数字量被输入单片机AT89C51中，通过地址读取对数据进行读写，通过显示器LCD1602让其真实的测量值被显示出来。本系统设定有自动报警功能，当超出系统默认的报警范围10mm到40mm时，报警电路里的三极管被输入高电平，则蜂鸣器发出响声，报警电路启动，同时LCD显示器上显示“out measure！”，提醒操作人员此时检测对象已超出测量范围，不能实现测量。此外本设计具有独立复位功能，当系统启动时，显示器LCD1602显示“measure start！”，提醒操作人员系统已准备完毕;并且当按键不需要额外设定时，显示器LCD1602也显示“measure start！”，界面初始化。

总结

由于新型传感器技术的发展，人们为了提高位移计测量精度，对测量仪器做出了不断地改良，故市面上各种各样的位移计层出不穷。故本次设计的光纤智能位移计在测量领域起到了不容忽视的作用，其应用前景良好。它是一款利用单片机和光纤位移传感器联合作用的测量位移系统，可适用于恶劣环境下对位移的检测，其具有误差小、响应时间快等特性。

参考文献

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