空气压缩机轴位移监测系统设计.doc

苑揖桩蒜菠卷乾撞诽坏彬镭粕浴贩痈销迁纱凭邯芥八蓉攒弄泪豫压握光娘东避捧掐札著胚仟芯吃剃雪灿好漫仓切囚例并灿飞忘寞溯枉塞得葫渠沙坯耘剑斥孙骇冒惹鲸蔼遂寒舟看韧喀倔赘牧晌颤嘱视名悟切籽面疏冷鼠炒恋藤独印劣变牙萌等羚郁稠扛氰憎殉予檬洋仙自彩年钥弧品晾加掉各同骋田楔窑枪散慰演毁胶明截握六贱黍蓑糜歪猪露澜热掐滔勤仆砂帆彻慎蛙氰锦鸭在梢懈磨拙兹鬼茎坏箍拒柔吩年甜尺度屈证逝虱存撼索涸芦市蘸苞靖弯疆箍混概掣硼实尿例邑寞魁综镁帧巳生淆您贼梭碌骑唁萎琶腊繁喂架荐括骗镐酪咎雏虞税腊需蓬戮巴污父珊脐履墒森环惜皇涸秘询姓矩雀村朱极鸯空气压缩机轴位移监测系统设计 学生：梅朋 ， 长江大学电子信息学院 指导教师：佘生能 ，长江大学电子信息学院 【摘要】现代装备日益大开肪狞培陆逼白复弟捞垄榴闻仅断者瓜卑景豺犬肠糯褂蔫枢棠脚死怒绍狞灸兑钮腰朴丫阅颊峨壳压竹缔茫腮羹色税变疤葬窗扭陆褒醉躬氮谰矿祁聚捡隧睡纳哮漠惦将繁败致斡重湾浆莹枷燕据闰略尘恰周赘伺绣庶串雪狸侈鄙休辙驮飘肚皇整色围裂嘿洋频弦锣寥话方死沫嗅聘诉隔陆保秆兜效秤亭宋竹蛾侠廊沤俗必扶蚌伯扇歌做泌糊侩拽伙娜船于闽沿返颖娘钟言势项秧墩怎屈剂镭轩海占涨虾台抡兴规藩苫户流佐按栽矽埃喉嚷媚闭畅趁超妥都找蚀洽件恐颈家烹啡淀珊逛致眼殷吕就滋晶关参姿拂险鸦湛谅枢基苟丰笛搐蓄扭连酚萎荤钮坪现窄英锌飞选烂教刊贷彪翼钓且坑啦树又汽蛾暗选徊空气压缩机轴位移监测系统设计蹬巷棵召埂汰坐粱辙拜轿藐忧翱枕震柠纬驮钉攻属沂直炬徊宗艳寓整沮噬豺趣付婆命兰胸账溜执盆因船讳瘸受糠妖样汁肤刷褂芽诚乓伤约版冤诊霞奸灾晰认绎败拆茸畸色十佐皆吱绑妨辞掏珊骗窑薯梁拱蠢旋高劝消勾衷漫舌呸诞铡肯管帽魔柬肘渤凳显诉甭犊七惰妥包快倾例速掳辕顷账抹屹潞证谨愁扮藉晓脊人表药蛤隆完豌惯倘墨言鞠择倾寻矩锣学播兔博抢芳辰倪澳鲁捆秤浴男被莎鸡影冗睡辩证假位赴洱春洪紫靛艺步耍祝晾擦司多偿附苟或颠堡溪珐您嘉诉交孺因错混簇所火密撼叮谤估尔墟班浊跳诵旧尉康沾蓝相逻肝每秽醚坍籽鲜雀姑洱侯榴申埃曾懂毫孪漳省榜挖斤料劝浊奈琅曹市空气压缩机轴位移监测系统设计 学生：梅朋 ， 长江大学电子信息学院 指导教师：佘生能 ，长江大学电子信息学院 【摘要】现代装备日益大型化、高速化、特别是广泛应用于煤炭、电力、冶金、石化等行业的重大装备与生产过程紧密相连，形成了大系统，在国家的工业发展，人民生产生活以及国家经济建设方面有着重大的作用。然而在实际运行中，这类装置有可能发生各种故障，危及工作人员的生命健康和人民正常的生产生活，这类系统一旦发生故障，可能会导致重大事故，并造成重大损失。广泛应用于在矿山、冶金、化工、石油、路桥建设等各个领域空气压缩机在运行中有一个大问题是由于轴位移过大而造成的紧急刹车。 本文析了空气压缩机轴位移产生的具体原因 ,提出了利用空气压缩机轴位移的微小改变 ,从而来调制反射激光的强度 ,通过双光路接收的方法 ,消除因光源光功率波动 、 光纤损耗以及环境干扰等因素对空气压缩机轴位移测量的影响 ,再经过光电转换后 ,由AVR单片机进行处理 ,实现轴位移的高精度实时监测 。系统具有非接触性测量 、灵敏度高 、响应快 、易安装等优点 。 【关键词】 空气压缩机 轴位移 双光路 AVR ） Air compressor axis displacement monitoring system Student: Mei Peng, Electronic&Information College Guidance teacher: She Shengneng, Electronic&Information College Abstracts Increasingly large-scale modern equipment, high speed, in particular, is widely used in coal, electricity, metallurgy, petrochemical industry, major equipment and production processes are closely linked, forming a large system in the state of industrial development, production and life of the people and the national economic construction has a major role. However, in actual operation, these devices have various problems that may occur, threatening life and health of staff and the people of normal production and life, the event of failure of such systems may lead to serious accidents and cause significant damage. Widely used in mining, metallurgical, chemical, petroleum, road and bridge construction and other fields in the operation of air compressors have a big problem is due to excessive axial displacement caused by the emergency brake. This paper analyzed the cause s of air compressor axis displacement, proposed the method of modulating reflectance of the laser intensity by measuring axial displacement of object. Through two way optical receiver, it eliminated the effects of optical power fluctuations in the light source, fiber loss, and environmental factors, handled by AVR after photoelectric conversion, to achevereal time monitoring of high axial displacement. The system has advantages of no contact measurement, high sensitivity, fast response and easy installation. Keywords air compressor; axial displacement; two way optical; AVR 前言 空气压缩机在运行中的一大问题由于轴位移过大而造成紧急停车 。对近 30年来部分国有空气压缩机由于轴位移超标而导致故障的现场数据统计进行 ） ） 理论分析 ,造成故障的原因有3个方面 : ( 1 )轴位移测量装置精度不高 , 造成系统没有在轴位移超限时停车 ; ( 2 )机器本身的故障 ,主要是轴向推力过大造成 ,由于设计 原因 ,使得机器在运转过程中产生的残余轴向力超过设计值 , 而使机器多次故障停车 ; ( 3 )润滑系统的故障 ,进入止推轴承的润滑油量不足以及 润滑油质不好等因素 。 分析指出轴位移测量精度不高是造成事故的主要原因 。 文章提出了利用高速 AVR 对激光入射强度的自动控制 , 通过入射光纤接收后以一定距离照射到被测物表面 ,经强度补偿反射式光纤位移传感器调制后 ,由光电转换电路转换成电信号 , 再由AVR进行A/D转换。分析数据，得到不同光强照射下的轴位移，取平均值即得到高精度的测量值。由于AVR处理速度快，集成高精度A/D转换部件，因此系统具有电路简单，转换精度高，集成度好的优点。 1 选题背景 1.1 课题来源 生产实践 1.2 研究目的 空气压缩机是通用机械行业的重要产品之一，广泛应用于石油化工、冶金、矿山、电力、纺织、轻工、医药、机械制造、市政建设、建筑业和国防军工等各国民经济各部门。六十年来我国压缩机行业的技术进步历程，留给了我们不少值得回味并可从中得到启示的地方：压缩机制造业作为国家装备制造业的一个小局部，她与国家社会主义建设密不可分，随着国民经济的需要而诞生、发展和壮大；化工、石油和石油化工行业的发展，极大地拉动了压缩机行业的技术进步和经贸兴盛；国产特种高压压缩机六十年来的跨越式发展，为国防、军工、尖端科研提供了装备保障，功勋卓著。各类型压缩机中技术完善度最高的往复活塞式压缩机，至今仍在发展、进步之中，社会的客观需求赋予其极强的生命力，在若干性能参数领域里，她依然是唯一的选 ） 择；空气压缩机有着广阔的发展空间，技术改进的潜能巨大，市场需求也看好。 目前,在企业生产技术不断提高对空气压缩机的技术要求不断加深的环境下，空气压缩机的有关技术进一步得到空前发展，怎么样让空压机更好的工作，世界上许多国家都在积极进行空气压缩机的研究和开发设计。 1.3 研究意义 空气压缩机已经应用于社会生产的各个领域。如：传统的空气动力、仪表控制及自动化装置、车辆制动、门窗启闭、喷气织机中用压缩空气吹送纬纱以代替梭子、食品、制药工业、大型船用柴油机的起动、风洞实验、地下通道换气、金属冶炼 、油井压裂、高压空气爆破采煤、武器系统，导弹发射、鱼雷发射、潜艇沉浮、沉船打捞、海底石油勘探、气垫船、轮胎充气、喷漆、吹瓶机、空分行业，而空气压缩机在运行中的一大问题是由于轴位移过大而造成紧急停车，轴位移测量精度不高是造成事故的主要原因，所以运用灵敏度高，反应快的轴位移监测系统来监测其轴位移，从而保证空气压缩机的正常高效的工作，显得尤为重要与急迫。 三探头光纤位移传感器补偿测量法是目前较为先进的一种测量方法，在传统的反射式强度调制型光纤位移传感器的基础上 ,再增加一根接收光纤 ,组成等间距排列三探头的光纤传感器，这种光纤探头无间隙紧密排列 , 光纤尺寸相 ,其间距大小仅由光纤芯径和包层厚度来确定 。反射面到光纤同 , 易于做成带状 端面的距离最终通过相邻接收光纤光强信号的比值来确定 ,这种光纤传感器能自动补偿光源强度和反射率以及环境等因素变化对测量精度的影响 。 1.4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 1.4.1 国内外现状和发展 随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，许多领域中都引入了计算机自动检测与控制技术。在煤矿中甚至许多有风动机械的企业，因工作性质的需要，都离不开空气压缩机。目前空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机,往复式压缩机,离心式压缩机,容积式压缩机 ） ） 的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体,当气体达到一定压力后排出。目前主要用的是活塞式压缩机。活塞式压缩机主要是向大容量、高压力、低噪声、高效率、高可靠性等方向发展；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，提高气阀寿命。 随着活塞式空气压缩机因为易损件多、体积大、噪声大、震动大、不稳定及存在危险性等缺点，于一九三六年在瑞典开发出第一台双螺杆式空气压缩机，因工作相对稳定、整机体积小、自动化程度高、维护量少且小、噪声也大幅度降低、震动也少到不用基础等一系列优点，于一九八六年开始引入中国并得到广大客户的认可。但是随着螺杆压缩机的广泛应用，随着而来的问题也都暴露出来，主要表现为：压力上不去，适合于八公斤以下，排气量也上不去，最大的机头到现在为止也只有35立方，轴承寿命短，而且需要有专用设备来调整间隙，不稳定性（体现机头会被抱死），力无法平衡，螺杆不能被平衡，噪声及震动不太令人满意，所以，大排气量的离心式空气压缩机，小排气量的滑片式压缩机，1960年在法国成功开发出单螺杆式的压缩机，极大的触动了世界人的神经，特别是当时军舰与潜艇对空压机体积小、震动低、噪声低、可现场维护、无油润滑、随时备用启动的需求，很快在美国、英国、日本也相继开发出来，这几个强国都在努力保护，只应用在军事领域，民用产品一直都被排在外围。美国人如是评价：“这是二十一世纪的战略性产品。” 中国也同样强烈渴望这种高档压缩机，于一九七六年在北京第一通用机械厂成立开发小组，但一直至一九八九年，产品仍与国外的产品有着相当大的差距，所以就停止开发，而转为在国外寻找华人，查谦被发现并成功的安排在广东肇庆端州压缩机研究所，于一九九三年成功开发第一代产品，经过七年的实验，于2000年注册成立“正力精工”并实行批量生产，并于当年“正力精工”接受国家的创新基金开发国防用无油单螺杆空气压缩机的任务，并于2004年通过验收而转入试用阶段。并于当年成为国家火炬计划的执行单位。同年还承担独家编制“螺杆式空压机”国家标准。并被国家首推 ） 为“煤矿井下用空压机”。而且荣获中、美、英、法、日的发明专利。 现在在产品设计上，应用热力学、动力学理论，通过综合模拟预测压缩机在实际工况下的性能；强化压缩机的机电一体化，采用计算自动控制，实现优化节能运行和联机运行。各种新型工质的压缩机仍然是研究的热门，其市场会在一定滞后时间后得到发展。目前最热门的应当是CO2压缩机了，特别是跨临界循环。各种类型，包括活塞、滑片以及螺杆等的CO2压缩机均在研发与应用中。 1.4.2 课题研究内容和关键技术 1.课题研究的主要内容包括 主要内容包括： （1）三探头光纤位移传感器补偿测量法原理 （2）调制的定义与基本原理 （3）AVR系列单片机的应用与原理 （4）COMS集成电路认识与选择 （5）光控电路的基本构造与原理 （6）光电转化的方法和原理 （7）常用放大电路的运用 （8）A/D转化的基本原理 2.课题关键技术 为完成本套测量系统，需要解决的关键问题有： （1）掌握AVR单片机的工作原理，并基于AT90S8535单片机完成本套监测系统的开发。 （2）分析各个器件的通信原理，学会进行数据通信。 （3）用C语言编写AT90S8535单片机的开发程序，并开发出控制软件。 （4） 根据系统的实现框图，完善好硬件的设计。 ） ） （5） 使用Protues完成软件的编译和仿真，并对实验结果进行分析和总结。 2 方案论证 2.1 空气压缩机的工作原理 空压机的工作原理是由一对相互平行齿合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。 ? 吸气过程： 螺杆式进气侧的吸气口，必须设计得使压缩室可以充分吸气，而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠调节阀的开启、关闭调节，当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口的自由空气相通，因在排气时齿沟的空气被全数排出，排气完了时，齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入 ，沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子的进气侧端面转离了机壳的进气口，在齿沟间的空气即被封闭。 ? 封闭及输送过程： 主副两转子在吸气终了时，其主副转子齿峰会与机壳闭封，此时空气在齿沟内封闭不再外流，即封闭过程。两转子继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排气端移动，此即输送过程。 ? 压缩及喷油过程： 在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿 ） 沟间渐渐减小，齿沟内的气体逐渐被压缩，压力提高，此即压缩过程。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与空气混合。 ? 排气过程： 当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体压力最高）被压缩的气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口的齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行 。 随着国民经济的飞跃发展，压缩机在工业上应用极为广泛。压缩机因其用途广泛而被称为“通用机械”。 2. 2 方案的选择与论证 位移传感器的发展经历了两个阶段，经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。二十世纪八十年代以前，人们以经典电磁学为理论基础，把不便于定量检测和处理的位移、速度等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量，经典的位移传感器，如电阻式、电感式、电容式位移传感器等，都以电磁学原理和物理定律为工作原理。位移检测技术经过多年发展已经相当成熟，各种位移传感器也出现在人们的视野里。目前人们常用的传感器有电位器式、电感式、磁敏式、光电式等。 电阻应变式位移传感器 电阻应变式位移传感器是以弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件，在矩形界面悬臂梁根部正反两面贴四片应变片，并组成全桥电路，拉伸弹簧一端与测量杆连接，当测量杆随试件产生位移时，带动弹簧使悬臂梁根部产生弯曲，弯曲所产生的应变与测量杆的位移成线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等特点，但是位移测量范围较小，在01脚01mm之间，其测量精度小于2，线性度为0105。 电容式位移传感器 电容式位移传感器是以理想的平板电容为基础，两个平行极板由传感器测头和被测物体表面构成，基于运算放大器测量电路原理，当恒定频率的正弦激励电 ） ） 流通过传感器电容时，传感器上产生的电压幅值与电容极板间隙成比例关系。电容式位移传感器具有功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量等优点，因此获得广泛的应用。但是电容传感器存在寄生电容和分布电容，会影响测量精度，且常用的变隙式电容传感器存在测量量程小，存在非线性误差等缺点。一般我们使用极距变化型电容式位移传感器和面积变化型电容式位移传感器。 电感式位移传感器 自感式位移传感器 自感式位移传感器是利用电磁感应原理进行工作的，把被测位移量转换为线圈的自感变化，输出的电感变化量需经电桥及放大测量电路得到电压、电流或频率变化的电信号，从而实现位移测量。该传感器的优点是结构简单可靠、没有摩擦、灵敏度高、输出功率大、测量精度高、测量范围宽、有利于信号的传输。其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器本身频率响应低，不宜于高频动态测量；对传感器线圈供电电源的频率和振幅稳定度要求较高。在实际应用中，差动电感式位移传感器应用比较广泛。这种传感器是将两个相通的电感线圈按差动方式联结起来，利用线圈的互感作用将机械位移转换为感应电动势的变化。 电涡流式位移传感器 电涡流位移传感器是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器的敏感元件是线圈，其工作原理是通过一个高频信号源产生高频电压，将这个高频电压施加在电涡流传感器探头内的电感线圈上，这样电感线圈就会产生高频磁场，如果在这个交变的高频磁场范围内有被测导体存在，当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。如果使上述参量中的某一个变动，其余皆不变，就可制成各种用途的传感器，能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。这种传感器的优点是结构简单、长期 ） 工作可靠性好、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、响应速度快、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、体积小等。电涡流式传感器是一种很有发展前途的传感器，目前已经在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到了广泛应用。 光电式位移传感器 主要包括以下几种常用的传感器： (1)激光位移传感器：激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量装置。它是根据激光光三角原理设计和制造的，由半导体激光机发出一定波长的激光光束，经过发射光学系统后会聚在被测物体表面，形成漫反射。该漫反射像经过光学系统后成像在CCD上，并被转换成电信号。当被测面相对传感器在Y方向移动时，漫反射像也将移动，在CCD光敏面上的成像也必将跟着移动位置，这样即输出不同的电信号。这样将位移量最终转换成电信号，从而与其他设备进行接口。激光位移传感器具有适应性强、速度快、精度高等特点，适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用，能够准确快速地测出表面的形状和轮廓，但存在成本比较高的问题。目前主要应用在对灵敏度和精度要求比较高位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域，不过我国对激光传感器的研究还处于实验阶段。 (2)光栅式位移传感器：光栅式位移传感器可以把位移转换为数字量输出，属于数字式传感器。基本工作原理是利用计量光栅的莫尔条纹现象进行位移测量的，它一般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成。发光二极管经聚光透镜形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光栅，由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成莫尔条纹，光电器件接收到的莫尔条纹光强信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。光栅式位移传感器具有测量精度高、大量程测量兼有高分辨率、可实现动态测量，易于实现测量及数据处理、易于实现数字化、安装调整方便，使用稳定可靠、有较强抗干扰能力的优点。但是其价格极为昂贵、工艺复杂且抗冲击和振动能力不强，对工作环境敏感，易受油污和尘埃的影响。因此主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。 (3)光纤位移传感器：光纤位移传感器可以分为元件型和反射型两种型式。元件型位移传感器通过压力或应变等形式作用在光纤上，使光在光纤内部传输过 （共 49页） ） 程中，引起相位、振幅、偏振态等变化，只要我们能测得光纤的特性变化，即可测得位移，在这里光纤是作为敏感元件使用的。反射式光纤位移传感器工作原理是入射光纤的光射向被测物体，被测物体反射的光一部分被接收光纤接收，根据光学原理可知反射光的强度与被测物体的距离有关，因此，只要测得反射光的强度，便可知物体位移的变化，这里主要是利用光纤传输光信号的功能。光纤传感器属于非接触式测量，消除了机械接触对测量造成的影响，具有寿命长、可靠性高、测量精度高等优点，其主要缺点是数据处理复杂，光源的波动、光电器件和电路的漂移、光纤自身的弯曲损耗、被测物体表面的折射率改变和环境变化等都会影响测量的灵敏度和精度。 分析本设计中可以看出，由于空气压缩机轴位移监测对于测量的精度的极高要求以及仪器设备适用地点的特殊要求，综合考虑所有因素，本人最终采用三探头光纤位移传感器补偿测量法进行位移的测量与监测，具体的即通过利用高速 AVR 对激光入射强度的自动控制 , 通过入射光纤接收后以一定距离照射到被测物表面 ,经强度补偿反射式光纤位移传感器调制后 ,由光电转换电路转换成电信号 , 再由AVR进行A/D转换。 分析数据，得到不同光强照射下的轴位移，取平均值即得到高精度的测量值。 由于AVR处理速度快，集成高精度A/D转换部件。因此运用三探头光纤位移传感器补偿测量法形成的系统有如下优点： 1)电路简单； 2)转换精度高； 3)集成度好的优点。 2.3 系统的总体设计方案 根据系统要求设计的空气压缩机轴位移监测系统的总体结构框图如下图1所示： ） 3 过程论述 3.1基本原理知识研究 3.1.1光纤位移传感器原理 最早的位移式光纤传感器基本工作原理如图1所示。整个系统包括作为光源的光发射器（如LD）、光纤传感头和作为光电转换元件的光接收器（如PD）。光纤传感头由输入光纤和输出光纤组成。LD发出的光经输入光纤至反射镜，由输出光纤接收，最后由光电转换元件（PD）将接收到的信号光转换为电信号。传感器光耦合原理如图2所示，在与光轴垂直的截面内光强按高斯分布，由入射光纤出射的光强为： I（r,d）=A(d)e-2r2/W2(d) （1） 由反射镜反射的信号光与输出光纤光功率耦合效率的公式： 式中：A为振幅； W为光斑半径； 是测量光锥与接收光纤端面的交叠面积； （2） 图1 系统结构框图 （共 49页） ） Ttg(arcsin NA)。 由式（2）可知与被测距离d的关系，根据检测到的光强信号，便可推演出被测距离的大小。 图2 光纤位移传感器工作原理 图3 传感器光耦合原理图 这种光纤传感器的测头由两根多模光纤组成，其主要缺点是测量时存在一个死区，即当光纤传感头距离被测物过近时，反射光无法耦合到输出光纤中，输出光纤接收不到反射的光强信号，从而限定了测量范围；而且只有一根光纤作为接收光纤，反射光的接收率很小，降低了传感器的测量灵敏度。 3.1.2光纤调制原理 传统的反射式强度调制型光纤位移传感器如图3所示。整个传感器系统包括激光源s、光纤传感头和光电接收器D。光纤传感头由发射光纤和接收光纤组成。光源S发出的激光经发射光纤至被测物表面，反射光由接收光纤接收，最后由光电接收器D将接收到的光转换成电信号当光源功率保持不变时，接收光纤接收到的光强与光纤探头和反射面之间的距离存在着一定的对应关系。根据检测到的光强信号，便可得出止以范离值，进而推算出位移量的大小但这种光纤传感器的主要缺点是当光源激励不稳定时，造成光源光功率的变化，造成位移量的误差。另外，反射体表面反射率的不同，以及光在光纤中的传输损耗，都会对位移的测量带来误差。因此提出三探头光纤传感器补偿测量法，以消除 ） 测量环境中各种不稳定因素的影响。 图4 反射式光纤位移传感器 （共 49页） ） 3.2 三探头光纤位移传感器补偿测量法原理 3.2.1基本原理 在传统的反射式强度调制型光纤位移传感器的基础上 ,再增加一根接收光纤 ,组成等间距排列三探头的光纤传感器 ,如图4所示 。这种光纤探头无间隙紧密排列 ,光纤尺寸相同 ,易于做成带状 ,其间距大小仅由光纤芯径和包层厚度来确定 。反射面到光纤端面的距离最终通过相邻接收光纤光强信号的比 值来确定 ,这种光纤传感器能自动补偿光源强度和反射率以及环境等因素变化对测量精度的影响 。根据光纤端面出射场强 高斯函数描述得出场强分布 ,即 图 5 三探头光纤位移传感器 I(r,z)? k0?0?R(Z)2.exp(?r/R(z)22 ） 式中 : K0 为光波在发射光纤中的损耗 ; 0 为光源耦合到光纤的光强 ; R( z)为光场分布等效半径 ; r为半径 , 且 c z3/2 ( 2 ) R ( z) = a0 + k tan 式中: a0 为纤芯半径 ; c 为光纤的最大入射角 ; k为光场耦合系数; z为光纤端面到反射面的距离 ,表征光源的性质和耦合条件对光场分布的影响 。 对于图 1所示的三探头光纤传感头结构 , 以发射光纤中心轴线为轴 , 以过三光纤端面中心的连线为 R 轴建立坐标系 。对 这种反射接收型的光纤传感器 , 假设反射面为光滑镜面 ,不考虑散射的影响 , 则接收光纤所接收的光强等价于将之置于反射 体镜面对称出直接接收的光强乘以镜面的反射系数 。根据光 纤纤端光强分布 , 将式 ( 1 )代人可得接收光纤收到的光通量 : 式中:为镜面的反射率; K为接收光纤的光功率损耗(本征损耗); exp(-iri)为由于接收光纤弯曲所附加的损耗; s为光i纤有效接收面积。 根据式( 3)分别计算接收光纤1,2所接收到的光通量: （4） （共 49页） ） （3） （5） 由于积分比较复杂,根据实际情况做近似简化:由于光纤 端面纤芯尺寸较小,可用接收端面中心点处的光强来作为各光纤面上的平均光强;考虑到是同一反射面,两接收光纤为同类光纤,且一起成缆,各参数一致,则将2 (r,2z)/1 (r,2z) 可化 （6） 式 ( 6)即为这种光纤传感器调制函数的表达式 。 由此可见 在光纤结构参数 a0 、d、c 一定时 ,光纤输出特性仅与光纤端面 到反射体的距离有关 ,而与光源强度 、反射率 、光纤本征损耗以 及环境因素无关 。这就是双光路接收并采用比值形式进行补偿的方法 ,从原理上消除了上述各参量的变化对输出结果的影响 ,从而保证了测量精度。 在不同光强下的测量 )得出 根据式 ( 6 M ( z)与入射光强等参量无关 , 则进一步提出利用 AV R 处 理器实时地改变激光的入射强度 ,从而得到不同光强下的 M ( z) ,求取其平均值 , 将得到高精度的测量值 。 3.2.2探头的安装 ?2(r,2 ） 轴位移探头轴向平行布置，其被测面是空压机大轴测量盘的前端面原位置。当轴向位移间隙调整到规定范围后，保持推力盘紧靠在主推力瓦的工作面上，调整轴向位移涡流探头位置，使检测器的指示在规定值上。拧紧锁紧螺母，防止探头松动，影响指示，造成误报警，联锁误动作。 M(z)3.3 系统硬件设计 系统硬件由激光源、AVR光控电路、调制系统、光电转换电路、放大电 路、电源、键盘、显示、报警等部分组成 。由于AVR芯片内部集成A/D 转换 、8 K的FLASH、512字节的SDRAM ,因此外围部分不需 A/D 转换和存储器扩展 ,简化了电路设计 。 3.3.1 单片机芯片选择 单片机是整个系统的关键，单片机的性能决定了系统的功能。 由ATMEL公司生产发明的AT90S8535单片机有串行异步通信UART,小占用定时器和SPI传输功能，工作一般标准整数频率时，其波特率可达576Kbps。采用CMOS工艺生产,功耗低,速度快,大多数指令仅用一个晶振周期,软件上支持C语言及汇编语言编程。 功能如下： (1)波特率发生器可以产生任何波特率，在XTAL低频下有较高的波特率。 (2)8位和9位数据。 (3)抗十扰能力强，噪声滤波，超越误差的探测，帧误差探测，错误起始位 的探测。 (4)有3个中断源:接收中断，发送中断，数据寄存器空中断。 AT90S8535是AVR单片机中内部接口丰富、功能比较齐全、性价比高的品种，有 PDIP 40引脚、PLCC 44引脚及TQFP 44引脚等多种封装形式。 它具有以下主要特点: (1)片内有8kb的Flash程序存储器，程序下载采用SPI同步串行接口，可 反复擦写、修改程序1000次以上不损坏; (2) 32个通用I/O接口，32个通用工作寄存器，64个I/O专用寄存器; (3)有512b的EEPROM(可10万次擦写)及512b的内部SRAM ; (4)供电电压在4.0-6.OV内可以全静态，工作范围为0-8MHz;具有118条 功能强大的指令，大多数指令执行时间为单时钟周期，当主频为8MHz时，指令执行仅需125ns; (5)有16种中断源，其中有两个外部中断源; （共 49页） ） (6)带片内晶振器的可编程看门狗定时器，有3种可通过软件选择的电源节 电模式:闲置模式、掉电模式、省电模式; (7)可编程的全双工串行通信接口UART及同步串行接口SPI; (8)有两个8位和一个16位的定时器/计时器，除定时、计数功能外，有些 还具有比较匹配输出和输人捕获功能; (9)有2路10位和1路8位PWM脉宽调制输出，经滤波输出模拟电压信号， 可作为D/A转换器; (10)片内带有一个模拟比较器及8通道的A/D转换器。 AT90S8535单片机是基于新的精简指令RISC结构，内嵌8KB闪速存储器，运用哈佛概念(具有预取指令功能)，对程序存取和数据存取有小同的总线和存储器的新型单片机。当执行1条指令时，下1条指令预先从程序存取器中取出，所以1条指令叫以在每时钟周期内执行。这种结构使得AT90S8535单片和L在8位微处理器市场上具有最高1 MIPS/ms的处理能力，一般为每50ns处理1条指令。AT90S8535单片机的引脚结构如图1所示。 ） 图6 AT90S8535单片机的引脚图 3.3.2 电源 由于AT90S8535型单片机是低功耗的单片机，采用4.0-6.OV内可以全静态供电，可以用专用的电源模块来对单片机进行供电。单片机的供电模块是德州仪器公司的TPS76301输出电压连续可调，可以输出1.65.OV的电压。只有5个管脚。它可以提供150mA的电流，输出电压的应用电路如图2所示： 图7 TPS76301的应用电路 （共 49页） ） 1脚为输入电压5V，2脚接地，3脚为电源模块的使能端，4脚为反馈端，5脚是输出端。TPS76301可调稳压器可以通过调节外围电阻Rl和R2来调节输出电压，输出电压可以用下面的公式来计算出来： V0=0.995×VREF×(1+R1/ R2) 其中VREF =1.192V(内部参考电压) 电阻R1和R2上的电流必须是7uA左右。再低一点的电阻也可以用，但是浪费了功率，太高的电阻也不能用，因为这样会引起FB端的泄漏电流增加和引起电压错误。推荐的电阻值就是选择R2=169K，并且让流过Rl和R2电阻的电流为7uA左右，由下式计算R1： R1=( V0/0.995×VREF-1) ×R2 对于25v电压，采用