【文章內(nèi)容簡介】 θc 為光纖的最大入射角 。 k為光場耦合系數(shù)。 z為光纖端面到反射面的距離 ,表征光源的性質(zhì)和耦合條件對光場分布的影響 。對于圖 1所示的三探頭光纖傳感頭結構 , 以發(fā)射光纖中心軸線為軸 , 以過三光纖端面中心的連線為 R 軸建立坐標系 。對 這種反射接收型的光纖傳感器 , 假設反射面為光滑鏡面 ,不考慮散射的影響 , 則接收光纖所接收的光強等價于將之置于反射 體鏡面對稱出直接接收的光強乘以鏡面的反射系數(shù) 。根據(jù)光 纖纖端光強分布 , 將式 ( 1 )代人可得接收光纖收到的光通量 : （3） 式中:ρ為鏡面的反射率。 K為接收光纖的光功率損耗(本征損耗)。 exp(∑ηiri)為由于接收光纖彎曲所附加的損耗。 s為光i纖有效接收面積。根據(jù)式( 3)分別計算接收光纖1,2所接收到的光通量:（4）（5） 由于積分比較復雜,根據(jù)實際情況做近似簡化:由于光纖 端面纖芯尺寸較小,可用接收端面中心點處的光強來作為各光纖面上的平均光強。考慮到是同一反射面,兩接收光纖為同類光纖,且一起成纜,各參數(shù)一致,則將φ2 (r,2z)/φ1 (r,2z) 可化 （6）式 ( 6)即為這種光纖傳感器調(diào)制函數(shù)的表達式 。由此可見 在光纖結構參數(shù) a0 、d、θc 一定時 ,光纖輸出特性僅與光纖端面 到反射體的距離有關 ,而與光源強度 、反射率 、光纖本征損耗以 及環(huán)境因素無關 。這就是雙光路接收并采用比值形式進行補償?shù)姆椒?,從原理上消除了上述各參量的變化對輸出結果的影響 ,從而保證了測量精度。在不同光強下的測量根據(jù)式 ( 6 )得出 M ( z)與入射光強等參量無關 , 則進一步提出利用 AV R 處理器實時地改變激光的入射強度 ,從而得到不同光強下的 M ( z) ,求取其平均值 , 將得到高精度的測量值 。 軸位移探頭軸向平行布置，其被測面是空壓機大軸測量盤的前端面原位置。當軸向位移間隙調(diào)整到規(guī)定范圍后，保持推力盤緊靠在主推力瓦的工作面上，調(diào)整軸向位移渦流探頭位置，使檢測器的指示在規(guī)定值上。擰緊鎖緊螺母，防止探頭松動，影響指示，造成誤報警，聯(lián)鎖誤動作。 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件由激光源、AVR光控電路、調(diào)制系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路、電源、鍵盤、顯示、報警等部分組成 。由于AVR芯片內(nèi)部集成A/D 轉(zhuǎn)換 、8 K的FLASH、512字節(jié)的SDRAM ,因此外圍部分不需 A/D 轉(zhuǎn)換和存儲器擴展 ,簡化了電路設計 。 單片機芯片選擇 單片機是整個系統(tǒng)的關鍵，單片機的性能決定了系統(tǒng)的功能。 由ATMEL公司生產(chǎn)發(fā)明的AT90S8535單片機有串行異步通信UART,小占用定時器和SPI傳輸功能，工作一般標準整數(shù)頻率時，其波特率可達576Kbps。采用CMOS工藝生產(chǎn),功耗低,速度快,大多數(shù)指令僅用一個晶振周期,軟件上支持C語言及匯編語言編程。 功能如下： (1)波特率發(fā)生器可以產(chǎn)生任何波特率，在XTAL低頻下有較高的波特率。 (2)8位和9位數(shù)據(jù)。 (3)抗十擾能力強，噪聲濾波，超越誤差的探測，幀誤差探測，錯誤起始位的探測。 (4)有3個中斷源:接收中斷，發(fā)送中斷，數(shù)據(jù)寄存器空中斷。AT90S8535是AVR單片機中內(nèi)部接口豐富、功能比較齊全、性價比高的品種，有PDIP 40引腳、PLCC 44引腳及TQFP 44引腳等多種封裝形式。 它具有以下主要特點: (1)片內(nèi)有8kb的Flash程序存儲器，程序下載采用SPI同步串行接口，可反復擦寫、修改程序1000次以上不損壞。 (2) 32個通用I/O接口，32個通用工作寄存器，64個I/O專用寄存器。 (3)有512b的EEPROM(可10萬次擦寫)及512b的內(nèi)部SRAM 。 (4)，工作范圍為08MHz。具有118條功能強大的指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單時鐘周期，當主頻為8MHz時，指令執(zhí)行僅需125ns。 (5)有16種中斷源，其中有兩個外部中斷源。 (6)帶片內(nèi)晶振器的可編程看門狗定時器，有3種可通過軟件選擇的電源節(jié)電模式:閑置模式、掉電模式、省電模式。 (7)可編程的全雙工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。 (8)有兩個8位和一個16位的定時器/計時器，除定時、計數(shù)功能外，有些還具有比較匹配輸出和輸人捕獲功能。 (9)有2路10位和1路8位PWM脈寬調(diào)制輸出，經(jīng)濾波輸出模擬電壓信號，可作為D/A轉(zhuǎn)換器。 (10)片內(nèi)帶有一個模擬比較器及8通道的A/D轉(zhuǎn)換器。AT90S8535單片機是基于新的精簡指令RISC結構，內(nèi)嵌8KB閃速存儲器，運用哈佛概念(具有預取指令功能)，對程序存取和數(shù)據(jù)存取有小同的總線和存儲器的新型單片機。當執(zhí)行1條指令時，下1條指令預先從程序存取器中取出，所以1條指令叫以在每時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。這種結構使得AT90S8535單片和L在8位微處理器市場上具有最高1 MIPS/ms的處理能力，一般為每50ns處理1條指令。AT90S8535單片機的引腳結構如圖1所示。 圖6 AT90S8535單片機的引腳圖 電源由于AT90S8535型單片機是低功耗的單片機，可以用專用的電源模塊來對單片機進行供電。單片機的供電模塊是德州儀器公司的TPS76301輸出電壓連續(xù)可調(diào)，～。只有5個管腳。它可以提供150mA的電流，輸出電壓的應用電路如圖2所示： 圖7 TPS76301的應用電路1腳為輸入電壓5V，2腳接地，3腳為電源模塊的使能端，4腳為反饋端，5腳是輸出端。TPS76301可調(diào)穩(wěn)壓器可以通過調(diào)節(jié)外圍電阻Rl和R2來調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓可以用下面的公式來計算出來： V0=VREF(1+R1/ R2) 其中VREF =(內(nèi)部參考電壓)電阻R1和R2上的電流必須是7uA左右。再低一點的電阻也可以用，但是浪費了功率，太高的電阻也不能用，因為這樣會引起FB端的泄漏電流增加和引起電壓錯誤。推薦的電阻值就是選擇R2=169KΩ，并且讓流過Rl和R2電阻的電流為7uA左右，由下式計算R1： R1=( V0/VREF1) R2對于2．5v電壓，采用LM336—。它的連接如圖3： 圖8 穩(wěn)壓電源 要求有較高的靈敏度 , 采用單模石英光纖 。石英光纖在850nm、1310nm 與 1550nm 處的衰減已接近理論最小值 。選擇這個值作為石英光纖低損耗傳輸窗口 。常用的紅外點狀光斑激光器（D－系列）技術參數(shù)如下： 輸出波長： 808nm 850nm 980nm 出瞳功率： 0～2000mW 光斑描述： 最小光斑直徑Φ1mm，光斑大小可以根據(jù)使用距離調(diào)節(jié) 光學系統(tǒng)： 光學鍍膜玻璃透鏡、非球面玻璃透鏡、優(yōu)質(zhì)塑膠鏡片、對客戶 的特殊要求可進行光學系統(tǒng)設計 G1－光學鍍膜透鏡 發(fā) 散 角： ～ 工作電壓： DC 3V、5V、12V 激光級別： Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb 工作溫度： －10℃～50℃ 存儲溫度： －40℃～80℃ 選配附件： 激光器專用電源、支架 外形尺寸：Φ12mm45mm、Φ16mm60mm、Φ22mm35mm 型號 出瞳功率（mw） 發(fā)散角（mrad） 透鏡 LD封裝形式 說明 LDT808100G ≤100 ≥ 玻璃 TO18 適用中遠距離、焦距可調(diào) LDT808200G ≤200 ≥ 玻璃 TO18 適用中遠距離、焦距可調(diào) LDT808500G ≤500 ≥ 玻璃 TO5 適用遠距離、焦距可調(diào) LDT8081000G ≤750 ≥ 玻璃 TO3 適用遠距離、焦距可調(diào) LDT8081500G ≤1200 ≥ 玻璃 TO3 適用遠距離、焦距可調(diào) LDT8505G ≤5 ≥ 玻璃 TO18 適用近距離、焦距可調(diào) LDT85010G ≤10 ≥ 玻璃 TO18 適用中遠距離、焦距可調(diào) LDT850100G ≤70 ≥ 玻璃 TO18 適用中遠距離、焦距可調(diào) LDT850200G ≤150 ≥ 玻璃 TO5 適用中遠距離、焦距可調(diào) LDT980500G ≤400 ≥ 玻璃 TO3 適用中遠距離、焦距可調(diào) LDT9801500G ≤1300 ≥ 玻璃 TO3 適用遠距離、焦距可調(diào) LDT9802000G ≤1800 ≥ 玻璃 TO3 適用遠距離、焦距可調(diào) 通過實驗分析 ,選擇型號ST850D10AG 的 紅 外 點 狀D系 列 激 光 器 , 其 波 長 為850nm、出瞳功率為 1～20mW ,工作電壓為5V ,符合光電探測范圍和激光可調(diào)的功率要求 。 調(diào)制的定義：調(diào)制就是對信號源的信息進行處理加到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^程，就是使載波隨信號而改變的技術。調(diào)制在通信系統(tǒng)中有十分重要的作用。通過調(diào)制，不僅可以進行頻譜搬移，把調(diào)制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于傳播的已調(diào)信號，而且它對系統(tǒng)的傳輸有效性和傳輸?shù)目煽啃杂兄艽蟮挠绊憽? 調(diào)制系統(tǒng)的工作過程：紅外點狀 D 型激光器發(fā)出的激光通過耦合進入光纖傳感器 ,再入射到被測物體表面進行調(diào)制 ,反射激光信號再被雙接收光纖接收后 ,由光電轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換 。如圖4所示。 圖9 光電轉(zhuǎn)化及放大電路模塊—前置放大電路的設計 光電一極管在受到光照時，會產(chǎn)生一個與照度正比的小電流，一是零偏置的光伏模式。一是反偏置的光導模式，具體電路如圖5所示，在光伏模式時，光電二極管可以非常精確地線性工作。而在光導模式時，光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性。同時，反偏置模式下的光電二極竹即使在無光照條件下也會產(chǎn)生一個極小的暗電流，. 理想的光電二極管有恒流源的特性，當其負載電阻為零時輸出特性較好，而由理想放大器構成的前置放大電路又有“虛短、虛斷”的概念，其輸入阻抗Rin=Rf/(1+A)，式中，A為運算放大器的開環(huán)增益，Rf為反饋電阻一般而言，A 106,所以Rin約等于0。，將其產(chǎn)生的微弱電流通過較大的反饋電阻Rf形成壓降，從而實現(xiàn)光通量的改變—光電流—電壓的I/ V前置放大轉(zhuǎn)換.  圖10 光電二極管的工作模式光電二極管的選擇依據(jù): 圖11 光電二極管等效電路圖6中Isc為光電流。Rd為一極管內(nèi)阻，Cd為二級管結電容、Ins為一級管的散粒噪聲電流、影響其性能參數(shù)的因素卞要是以下兒點:（1）反饋電阻Rf：反饋電阻越大，輸出電壓越大，通常取幾百千伏或幾十兆伏，但反饋電阻的選擇也存在上限，因為前置放大與后續(xù)處理電路相連時會受到輸入電壓匹配的限制，同時過大的反饋電阻會使電路產(chǎn)生自激震蕩；（2）設計合理的通頻帶：通過電容CS與反饋電阻Rf的并聯(lián)，構成低通濾波電路，其上限截