【摘 要】
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光纤位移传感器作为光纤传感器的一个重要分支,它在工业、军事、医疗和科学研究领域中发挥着越来越大的作用。其中,反射式光强调制型光纤位移传感器(RIM-FODS)具有设计简单、携带方便、抗电磁干扰等优势。但在目前的实际工程应用中,它容易存在测量范围增大引起精度降低以及需要对物体进行标定等问题,针对这些问题,本文以RIM-FODS为基础,设计了扫描式光纤位移传感器。采用透镜将光纤的像成像在被测物表面附近
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光纤位移传感器作为光纤传感器的一个重要分支,它在工业、军事、医疗和科学研究领域中发挥着越来越大的作用。其中,反射式光强调制型光纤位移传感器(RIM-FODS)具有设计简单、携带方便、抗电磁干扰等优势。但在目前的实际工程应用中,它容易存在测量范围增大引起精度降低以及需要对物体进行标定等问题,针对这些问题,本文以RIM-FODS为基础,设计了扫描式光纤位移传感器。采用透镜将光纤的像成像在被测物表面附近,并通过透镜或者光纤高速往复运动使得光纤像在物体表面位置不断发生变化,完成一个类似于“扫描”的过程,这种方式有两个优势。一是保持精度不降低的基础上扩大测量范围的目的,二是避免传统的反射式光纤位移传感器需要对不同的物体表面反射特性进行标定。目前查询的文献中没有通过镜头的移动改变光纤像与被测物之间的距离的方法未见报道。扫描式光纤位移传感器是基于反射式强度调制型光纤位移传感器的原理,首先根据光学透镜成像原理,通过改变透镜的位置实现光纤端面的像成像在被测物表面附近,使得测量过程中增加光纤探头与被测物表面之间的距离。其次,通过VCM(音圈电机)电机带动镜头的移动,使得光纤像成像于被测物表面附近的多个位置,通过数据处理可以消除不同表面的反射特性得到位置信息,实现传感器的“扫描”功能,达到扩大量程的目的。具体研究内容如下:(1)扫描式光纤位移传感器的理论研究。首先介绍了扫描式光纤位移传感器的工作原理。其次,分析扫描式光纤位移传感器设计需求确定了光纤的材料和结构。最后建立被测物的不同表面粗糙度的理论模型,并针对不同的模型利用MATLAB进行仿真分析。(2)扫描式光纤位移传感器的硬件系统设计。根据扫描式光纤位移传感器的功能需求对电源和电机进行选型。完成了光源调制、光电信号转换、跨阻放大、电机驱动、锁相放大、AD采集与信号处理硬件电路的搭建和设计。(3)扫描式光纤位移传感器的软件设计。首先完成了VCM电机驱动软件的设计,对控制VCM电机的DW9714芯片的三种工作模式进行仿真分析。其次完成了基于AD采集和串口传输的控制程序设计,并采用Vivado和Questa Sim软件进行了仿真分析。(4)扫描式光纤位移传感器的实验验证。搭建了扫描式光纤位移传感器的光路结构和电路系统,对不同反射特性的物体进行了验证性实验。对两种不同物体的反射特性进行实验验证,实验结果表明扫描式光纤位移传感器可以在不需要标定被测物的情况进行测试,能够在保证精度的同时提高传感器的测量范围,验证了该方法的可行性。
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