基于NI ELVIS的光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

莫文琴， 任 迎

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，虛擬儀器逐漸改變了傳統(tǒng)儀器的設(shè)計(jì)模式，采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件設(shè)備完成信號(hào)采集，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理和分析，從而使得用戶可以根據(jù)自身需求靈活的定義測試儀器的各項(xiàng)功能，滿足不同的應(yīng)用場合，這是傳統(tǒng)儀器不可比擬的，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。

實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)中一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)，目前，傳統(tǒng)的光電檢測技術(shù)專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基本上采用的是硬件封裝好的實(shí)驗(yàn)箱，并且不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容配備不同的實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)箱不僅體積笨重、占用空間大，維護(hù)困難[6-7];而且提供的硬件電路是固定的，學(xué)生只能通過簡單插線操作來完成，無法深入理解和掌握課程基本理論和概念，從而限制了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力的鍛煉。

基于現(xiàn)代光電檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀和需求，本文設(shè)計(jì)了基于NI ELVIS教學(xué)平臺(tái)的光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過NI ELVIS高效、便捷電路搭建和軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)中電壓信號(hào)自動(dòng)采集、記錄以及位移-電壓曲線的繪制。

1 NI ELVIS系列Ⅱ平臺(tái)簡介

NI教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件NI ELVISⅡ是NI公司結(jié)合NI數(shù)據(jù)采集卡和圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW的設(shè)計(jì)與原型開發(fā)平臺(tái)，它本身集成了包括有:示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬用表、阻抗分析儀等12種儀器[8];此外，該平臺(tái)采用高速USB即插即用連接方式，并且?guī)в小?5 V、+5 V電源以及0～±12 V可編程電源，使得用戶可以方便地在原型設(shè)計(jì)面板上搭建電路，并通過NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，快速實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測量采集和顯示，非常適合在儀器儀表開發(fā)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用。

利用NI ELVIS教學(xué)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)具體測量電路的設(shè)計(jì)，可以通過圖1所示的流程進(jìn)行開發(fā):

(1)根據(jù)具體應(yīng)用相關(guān)的理論知識(shí)確定檢測方案;

(2)在Multisim環(huán)境中調(diào)用NI ELVIS儀器完成電路的仿真;

(3)在NI ELVIS原型開發(fā)板上搭建模擬電路;

(4)通過NI LabVIEW實(shí)現(xiàn)測量、顯示、存儲(chǔ)和分析。

圖1 NI ELVISⅡ平臺(tái)開發(fā)流程

2 光纖位移傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖位移傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、體積小、重量輕、易于傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛研究，在位移、加速度、振動(dòng)以及壓力測量中得到了應(yīng)用?；贜I ELVIS光纖位移傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以幫助學(xué)生理解強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感檢測技術(shù)，并通過電路搭建，掌握光調(diào)制、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理等重要概念。

2.1 檢測原理

光纖位移傳感器檢測方法主要分為兩種，一種是基于相位調(diào)制的激光干涉測量;另一種是基于強(qiáng)度調(diào)制的反射式光纖位移檢測[9-11];前者采用激光作為相干光源，利用干涉儀(邁克爾遜干涉等)實(shí)現(xiàn)微小位移檢測，精度較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高;后者主要由LED光源、發(fā)射光纖和接收、光電探測器組成，LED光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過發(fā)射光纖傳至反射面，光信號(hào)經(jīng)反射面反射后再由接收光纖接收并傳回光電探測器，當(dāng)反射面和接收光纖形成相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光電探測器上的光信號(hào)將隨之改變，所以通過檢測探測器上的光信號(hào)便可得知反射面產(chǎn)生的機(jī)械位移。從檢測原理上，我們可知該方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但是由于采用的是光強(qiáng)度調(diào)制的方法，光信號(hào)容易受到LED光源波動(dòng)、背景光噪聲、電子干擾以及電子器件1/f噪聲的影響，此外，光信號(hào)經(jīng)過反射面反射后，會(huì)產(chǎn)生較大的損失，光電探測器上的信號(hào)會(huì)非常微弱，因此該系統(tǒng)光電檢測電路的設(shè)計(jì)主要以降低噪聲為原則來考慮。

2.2 NI ELVIS平臺(tái)上檢測電路搭建

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要分為光發(fā)射模塊和光電信號(hào)檢測模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 光發(fā)射模塊

在光發(fā)射模塊中，考慮到強(qiáng)度調(diào)制的光電檢測系統(tǒng)中，光信號(hào)的強(qiáng)度隨外界量的變化而改變，所以強(qiáng)度的穩(wěn)定性直接影響檢測的精度[12]，但是外界干擾光通常產(chǎn)生緩慢變化的準(zhǔn)直流隨機(jī)信號(hào)，而且探測器的噪聲和放大電路的零漂也會(huì)引起直流誤差，所以我們選用NE555產(chǎn)生950 Hz的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，一方面消除以上信號(hào)干擾;另一方面使得二極管工作在間歇狀態(tài)，可以降低功耗，提高其使用壽命。

2.2.2 光電信號(hào)檢測模塊

光電信號(hào)檢測模塊中，PIN管將反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流，其工作模式有零偏置和反向偏置兩種。零偏置下，PIN管不存在暗電流，主要是分路電阻的熱噪聲，而在光電精密測量中，暗電流對(duì)微弱信號(hào)的影響較明顯，所以本設(shè)計(jì)采用零偏置模式，可以獲得較好的線性測量(見圖3)。此外，對(duì)光電二極管產(chǎn)生的光電流采用運(yùn)算放大器電流-電壓轉(zhuǎn)換的方式來消除直接電壓監(jiān)測遇到的嚴(yán)重非線性以及高的直流偏置問題[13]。

圖3 光纖位移傳感信號(hào)檢測電路

(1)濾波。由于本系統(tǒng)光源采用脈沖光調(diào)制方式，所以待測信號(hào)為950 Hz的光強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)，除此之外的信號(hào)均為噪聲信號(hào)。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，選用有源二階窄帶帶通濾波器來濾除疊加在待測信號(hào)上的噪聲，設(shè)置中心頻率為950 Hz，帶寬為100 Hz，使得光電二極管的熱噪聲和散粒噪聲信號(hào)大幅度衰減，有用信號(hào)通過，從而提高系統(tǒng)的信噪比，增強(qiáng)檢測微弱信號(hào)的能力。

(2)真有效值轉(zhuǎn)換。從濾波電路輸出波形來看，相對(duì)于光源驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，光電探測器輸出的光電流信號(hào)產(chǎn)生了一定變形，所以為了獲得波形真實(shí)的有效值，我們選取了AD公司的真有效值轉(zhuǎn)換器AD737來實(shí)現(xiàn)。它不同于以往的整流加平均的測量技術(shù)，而是采用信號(hào)平方后積分的平均技術(shù)，使其可以能夠精確測量各種波形的真實(shí)有效值，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、測量速率快以及準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，其靜態(tài)功耗電流小于200 uA，輸入信號(hào)有效值范圍0～200 mV[14]。采用雙電源供電的方式，使得輸入信號(hào)有效值為零時(shí)，能得到正確的輸出[15]。R14為限流電阻，兩個(gè)二極管做雙向限幅，起過壓保護(hù)作用。引腳1和8短接，選擇AC+DC方式;腳3和6之間接濾波電容與轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電阻并聯(lián)，構(gòu)成低通濾波器。

(3)反相比例調(diào)零電路。由于有效值轉(zhuǎn)換后得到是負(fù)電壓，需要通過反相比例放大器轉(zhuǎn)換為正電壓并進(jìn)行放大;同時(shí)考慮到當(dāng)反射面與光纖探頭距離為零時(shí)，輸出也應(yīng)該為零，所以采用反相比例放大器的調(diào)零電路[16]來實(shí)現(xiàn)。通過電阻R15和 R16來實(shí)現(xiàn)2倍電壓放大，并根據(jù)±5 V的供電電壓以及留有裕量的失調(diào)電壓范圍來確定R18的阻值。

2.3 LabVIEW完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)通過While循環(huán)等待用戶修改測量參數(shù)，通過事件結(jié)構(gòu)響應(yīng)前面板“測量”鍵值改變，由此開始測量過程。啟動(dòng)測量后，①采用“拆分路徑”和“創(chuàng)建路徑”VI來創(chuàng)建測量記錄文件目錄和文件名;②在內(nèi)層While循環(huán)內(nèi)建立平鋪式順序結(jié)構(gòu)完成一次信號(hào)電壓測量，其中第一步由前面板設(shè)定測量時(shí)間間隔，等待實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)上螺旋測微儀移動(dòng)0.1 mm位移量，第二步利用DAQ完成1 000個(gè)數(shù)采樣，平均后作為此次最終電壓測量值，并根據(jù)初始位移量和當(dāng)前測試次數(shù)確定實(shí)際位移;③將順序結(jié)構(gòu)輸出電壓測量值和當(dāng)前位移量分別創(chuàng)建數(shù)組，寫入文本文件，并通過“Build XY Graph”繪制位移變化曲線;④內(nèi)層While循環(huán)中將實(shí)驗(yàn)人員輸入的“采樣次數(shù)”遞減1與循環(huán)條件i進(jìn)行比較來控制循環(huán)次數(shù);一旦完成規(guī)定的次數(shù)，則跳出內(nèi)層循環(huán)，并同時(shí)結(jié)束外層循環(huán)，程序結(jié)束。此外，由于目標(biāo)是電壓和位移信號(hào)，在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)需要用到“單位轉(zhuǎn)換”VI來實(shí)現(xiàn)數(shù)值和實(shí)際單位之間的轉(zhuǎn)換。

如圖4所示:前面板主要分為3部分，①是檢測原理圖和檢測電路，在前面板界面顯示以幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理;②是參數(shù)設(shè)置部分，由于位移量是通過外部螺旋測微儀來調(diào)節(jié)，上位機(jī)無法自動(dòng)獲悉外部調(diào)節(jié)何時(shí)完成，所以為了保證每次轉(zhuǎn)動(dòng)0.1 mm后系統(tǒng)能夠自動(dòng)記錄變化數(shù)據(jù)，通過“采樣間隔”控制每次采樣的時(shí)間間隔，等待外部測微儀調(diào)節(jié)完畢后，系統(tǒng)穩(wěn)定后再進(jìn)行測量。此外，采樣間隔、采樣次數(shù)和初始位移可以自行設(shè)置，方便學(xué)生根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況來確定相應(yīng)的參數(shù)值;③是輸出部分，包括位移輸出曲線、已測次數(shù)以及當(dāng)前電壓值。

測量完成后，如圖所示，可以得到光纖位移傳感器完整的前坡曲線，位移量大于2 mm之后，電壓變化幅度變小，線性度變差，因此，基于反射式光纖位移傳感器主要用于微小位移檢測，并且適用于小量程的位移變化。

圖4 光纖位移檢測系統(tǒng)前面板

3 結(jié)語

本文通過分析傳統(tǒng)儀器在光電檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)課中存在的缺陷和不足，結(jié)合虛擬儀器在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，按照NI ELVIS平臺(tái)上測試系統(tǒng)的開發(fā)流程，設(shè)計(jì)了基于NI ELVIS的反射式光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐證明，相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過提供自行搭建測試電路的機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生加深了理論知識(shí)的理解，并鍛煉了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力;通過提供開放的前面板和后面板，方便學(xué)生根據(jù)自身興趣對(duì)測量界面和功能進(jìn)行修改，從而激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)造性的思維。

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