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反射式光强调制型光纤位移传感器的研究及其在数字塞规中的应用

杨秀华  
【摘要】:光纤传感器用于位移检测具有诸多常规检测技术不可比拟的优点,如环境适应性强,灵敏度高,体小质轻,可挠曲,测量对象广泛,可实现非接触测量,综合性价比高等。反射式光强调制型光纤位移传感器是最早研制的光纤传感器。本文对该类传感器在实际应用中遇到的问题,影响传感器性能的参数,信号处理和在数字塞规中的实际应用四大方面做了较为深入的研究。 首先,本文对反射式光强调制型光纤位移传感器在实际应用中遇到的问题做了大量的试验,对影响传感器应用的诸多因素进行了分析研究,如光源稳定性、被测点的反光系数(如粗糙度、表面的缺陷划痕、纹理方向、材质……)和环境温度、环境光的变化等。通过实验和分析证实:对于通用的该类传感器,随着温度的升高,调制程度减小;在传感器与被测表面距离相同的情况下,由于被测表面上被测点的反光系数不同会造成测量结果有较大差异;在高精度的测量中上述因素的影响是完全不能忽略不计的。高精度的反射式光强调制型光纤位移传感器很大程度上正是这些因素的影响而基本上处于实验室研制阶段,要真正走向实用还有一定的距离。本课题提出采用补偿原理来构建传感器,最大程度的消除众多因素对传感器性能的影响,为反射式光强调制型光纤位移传感器尽早的从实验室中走出,大量应用到实际工业中做了一定的探索。 接着本文对影响传感器输出性能的其它参数做了进一步的研究,,如:传感器的探头结构,发射光纤和接收光纤的芯径、数值孔径以及两者之间的距离, 被测表面的形状,被测表面与光纤轴线的垂直度等。先通过分析建立各种情况 下的调制特性模型,然后用Matlab和Labview建立仿真系统,最后进行相应的 理论分析,找出各参数对传感器输出特性影响的规律,为传感器的设计提供了 十分有价值的参考。 在实用光纤传感器中,由于输出信号比较微弱,被测信号常常受到噪声的 干扰,容易被噪声淹没。本文提出采用先经前置放大、调幅调制,然后再利用 锁相环构成的调幅波同步检波电路解调得到有用信号的方法解决该问题。锁相 环具有相敏检波和窄带滤波的双重作用,它能够从相位和频率两个方面区别噪 声,且能够解决普通滤波器中心频率漂移的问题,此外它还具有相关检测的功 能,大大提高了传感器的信噪比。 最后部分是光纤传感器在数字塞规中的实际应用。光纤式数字塞规系统的 难点归根结底就是光纤传感器和塞规的结构设计,鉴于前面诸章节己经对光纤 传感器进行了细致的分析,本部分主要讲述光纤传感器的结构设计和软件设计。 关键词:光纤位移传感器非接触强度补偿锁相环数字塞规


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