一种光纤式数字塞规仪的设计

    1　引言

    数字塞规是一种用于高精度内径测量的仪器,它具有测量效率高、使用方便、可将结果数字化显示的优点。从我们收集到的近10年的材料看^[1~4],国外最著名的厂家Marposs(意大利)和Mahr(德国)以及国内的厂商都发展的是数字塞规^[1~3]。目前数字塞规的传感器一般采用开启式差动变压器原理,传感头采用两个对称安装的硬质合金测头进行直径的测量。由于安装了合金测头,对高精度表面有划伤,这在很多应用领域是不允许的(如采用较软的合金,又易产生磨损);同时由于采用了变压器的原理,所以电磁干扰对其影响较大。虽然说气动塞规也可解决上述问题,但由于需要一整套的供气装置,体积庞大等,也没有得到十分广泛的应用。本文中选用的传感器是光纤式数字传感器,使上述问题得以解决。

    光纤位移传感器是光电子技术的结晶,它具有常规检测技术不可比拟的诸多优点,而且能实现“传”和“感”的合二为一,灵活、微型、非接触,可柔性弯曲,不受电磁干扰,可实现很多情况下的高精度测量。用光纤传感器进行非接触尺寸测量是目前测量领域中传感技术发展的一个主导方向,该研究具有相当的科学研究和实用意义。

    2　整体设计

    2·1　总体

    传感器1和传感器2为对径安装的两个光纤传感器,传感器3是我们设置的一个相对零位传感器,传感器3和传感器2到表面的距离差恒定,这个恒定的距离差为我们在后续计算机处理中消除被测物体表面情况影响的主要参数。我们用计算机控制A/D采样的速率、采样时间、采样的开始与停止等,采样值全部输入计算机进行后续的处理。

    我们使用的软件是NI公司的LabView,它是一款图形化、层次化设计的编程软件,它具有界面美观、开发周期短、易上手,能够实现虚拟仪器功能的特点。而且在该软件中,还可以嵌入C、C++、Matlab等编制的程序。A/D采样板我们选用的是LabJack Corporation的LabJackU2,它是一款USB接口,有8路模拟输入(可实现8路单端输入、4路差分输入),2路模拟输出,20路数字I/O,32位计数器,看门狗电路,具有高增益的A/D采样板。它的采样速率可以达到8k/s,完全采用软件控制,不用跳线器和转换器,采用盒式包装,使用方便。而且该采样板还提供了LabView的动态连接库(dll),使开发更容易。

    2·2　反射式光纤位移传感器的原理[4]

    反射式光纤位移传感器具有结构简单、性能稳定可靠、造价低廉、设计灵活、能够在恶劣条件下工作的优点,在光纤传感器中占有着十分重要的地位。如图2所示,反射式光纤位移传感器由发射光纤和接收光纤组成,利用被测物体与接收光纤相对位移变化时,接收光纤接收到的物体表面反射回来的光强随之变化的现象,得出物体位移量的大小。