基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器设计

崔陆军，郭虹虹，尚会超，刘 冬

(中原工学院机电学院，河南郑州 450007)



基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器设计

崔陆军，郭虹虹，尚会超，刘 冬

(中原工学院机电学院，河南郑州 450007)

为了满足当前位移测量系统对于微小位移进行稳定可靠和精确测量的需求，文中提出了一种基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器的设计方案。该光纤束位移传感器主要利用了光强调制型的工作原理，以STM32F103ZET6为核心，采用设计的光纤束微位移传感探头对微位移进行准确测量，软件部分实现了两路检测信号相除、线性化处理和温度补偿等工作，同时将采集的位移数据通过串口实时发送至上位机，实现了对温度数据的动态显示，查询、储存等功能。该传感器具有成本低、测量精度高、操作简单等优点，可以在各种复杂的工业现场高效而准确地对各种微位移进行精确测量。

微位移测量；光纤束传感器；嵌入式系统

0 引言

现代精密和超精密制造领域中对检验精度提出越来越高的要求,传统检验方法已经不能适应大批量、在线测量的要求。光纤传感器具有质量轻、体积小、价格低、不受电磁干扰、无电流放电和闪电现象等优点，成为传感器研究的一个重要方向。微小型超精密光纤微位移传感器在高速精密加工和测量过程中，不仅可直接用于测量微线性位移、微小角位移[1]、振动和各种零件表面粗糙度[2]，还可通过转换压力膜片的位移应用于压力测量、通过转换温度变形片的位移应用于温度测量[3]、通过转换质量块的位移应用于质量或加速度测量[4]。因此，光纤位移传感器在光纤传感领域占有很重要的地位。

光纤位移传感器的优点突出，工作原理也比较直观，但其光强调制特性的理论建模和定量计算却很复杂[5]。同时高精度和高稳定性的光纤位移传感器测量取决于能否采取有效措施克服光源功率波动、光纤传输损耗变化等因素对测量的影响。本文研究的光纤束微位移测量传感器，利用光纤束进行非接触测量的新思路，采用光纤光路双接收结构补偿机制和温度软件补偿机制来消除外界环境影响，同时以STM32为处理和控制核心来实现微位移信号的检测、处理及显示等功能。该传感器系统采用专用集成电路，电路结构简单，工作稳定可靠，特别适用于超精制造、超精检测等行业的位移测量。位移检测系统通过串口实现与上位机通讯，便于对检测位移实时数据的记录和分析。

1 测量系统总体方案

基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器系统的组成，硬件构成示意图如图1所示。

图1 基于STM32的嵌入式光纤束位移传感器系统结构示意图

系统主要包括光纤束微位移探头和嵌入式信息处理模块：(1) 光纤束微位移探头，由发送光纤和接收光纤组成光纤束来获得微位移信息，通过安捷龙发光管和光电接收管对光电信号进行转换；(2) 嵌入式信息处理模块，以STM32F103ZET6为处理核心，通过其A/D模块将光纤探头的信息进行高速采集和处理，并通过D/A模块和串口模块将位移信息进行转换和传输。

整个微位移测量系统由芯片内嵌的温度传感器对传感器周围的温度信息进行转换进入STM32芯片中，以此通过温度的监测来补偿外部环境中温度对微位移测量的影响；嵌入式芯片通过D/A接口将传感器测量的位移信息以电压形式输出，同时再由USART接口实时传输至上位机中，上位机将测量对象的位移信息进行处理后通过编制的软件显示出来。

1．1 微位移传感探头模块

系统采用设计的基于光强调制机理的光纤束微位移光纤探头对位移量进行测量。微位移传感器中的光源易受到外部环境影响，尤其是温度和外部振动的变化而变化，为了消除外部环境的各种影响，传感器采用光纤束的结构，光纤束微位移探头结构示意图如图2所示。

图2 设计的光纤束微位移光纤探头结构示意图

光纤束由发送光纤和接收光纤(包括随机分布接收光纤和同轴分布接收光纤)组成，光纤探头中的光纤束排布示意图如图3所示。

图3 光纤束微位移探头横截面示意图

图2中的光纤束位移探头由1个LED光源发送器、2个安捷龙PIN光电接收器和光纤束组成，图3中的随机分布接收光纤和同轴分布接收光纤分别构成探测光路和参考光路。图2中的同轴光纤接收光纤光强PC和随机光纤接收光纤光强PR分别可以表达为：

PC(d)=δ·P0·FC，PR(d)=δ·P0·FR

(1)

式中：P0为LED发送器的发送光强；δ为反射面的反射率；FC和FR分别为同轴分布型接收光纤和随机分布型接收光纤的光强调制函数。

FC和FR依据光纤分布结构依次进行计算[6]，然后将式(1)中两方程进行相除，就得到与位移d相关的函数式T(d)。

(2)

从式(2)可以看出，T(d)与P0、δ无关，在一定程度上可以消除外部噪声、温度变化和振动等的影响。在同轴接收光纤光路和随机接收光纤光路中，分别通过2个安捷龙光电接收器将两路接收的光强转变为电信号，经过信号预处理电路和A/D采集模块就可以获得与位移相关的信号输出函数，但该信号输出非线性较差，需要后续线性化处理。

1．2 MCU中央处理器模块

由于光纤位移传感器受到外界振动等的影响，因此需要对位移传感器系统进行综合信息处理，在本系统中采用的是“增强型”系列的STM32F103ZET6，主要对光纤探头的两路光信号进行高速数据采集、线性化处理以及数据通讯工作，该芯片其具有含有USART接口和SPI接口等外部通信接口，内嵌3个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达21个外部通道，可以实现单次或扫描转换；带有2个12位带缓冲的DAC通道将2路数字信号转换为2路模拟电压信号并输出；同时该芯片内嵌有1个温度传感器，可用于将微位移传感器系统周围温度信息转换为数字数值，对周围环境因素进行软件补偿。STM32F103系列芯片是一类高性能、低成本、超低功耗的嵌入式ARM Cortex-M3内核，保证了对该微位移传感器系统提供高效信息处理方案。

1．3 串口通信模块

STM32F103ZET6最多可提供5路串口，有分数波特率发生器，支持同步单线通信和半双工单线通讯，支持LIN等。上位机通过该芯片的USART1串口与微位移传感器相连，将测量的数据进行实时传输处理。系统需要采用SP3232芯片进行信号电平转换。STM32F103ZET6的USART1串口引脚TXD、RXD分别与SP3232的DIN1、ROUT1连接，而SP3232芯片的引脚TOUT1、RIN1接到上位机的串口，如图4所示。

图4 串口模块电路图

2 软件设计流程

基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器系统的软件设计所要完成的主要功能是STM32分别将采集的随机接收光纤和同轴接收光纤的电信号相除以减少误差，然后再将相除后得到的曲线进行线性化处理、图像和数据输出等操作。主程序流程图如图5所示。STM32F103ZET6具有在线调试和下载功能，其软件可通过Keil MDK来开发。在用户开发应用系统时，使用JLINK V8通过Keil MDK软件对用户程序进行调试，调试完成后将调试好的程序下载到芯片中。

由于光纤束微位移测量数据量大，为此要求硬件和软件进行滤波处理的效率非常高。位移测量系统必须对采集的位移数据采用数字滤波[7]、线性化等方式进行数据处理，从而提高光纤束位移传感器测量结果的精度。

图5 位移测量系统的程序流程图

针对位移传感器测试系统的特点，为此本文采用均值平滑滤波算法，均值平滑滤波的流程示意图如图6所示，这种数字滤波的优点是对外界周期性干扰有良好的抑制作用，参与平均的点数越多，输出值的平滑度越高，测量精度高，为此数字滤波的中的d[j]数组大小可以依据计算效率和输出值进行实际选择。

图6 均值平滑滤波算法流程示意图

3 实验

为了验证位移测量系统的设计效果，通过测量不同的位移点，得到位移测量传感器系统的位移电压输出曲线，如图7所示。其中3 mm的测量量程范围内部分测量实验数据如表1所示。

表1 位移测量系统的部分测量结果

从测量结果可以看出，在3 mm的测量量程范围内，后半程的线性度较差，因而微位移测量系统取其位移为1 mm的测量量程并进行线性化处理，如图8所示。

图7 未线性化处理的位移输出曲线

图8 线性化处理后的位移输出曲线

实测实验表明：基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器系统可以有效消除外界振动和影响，测试结果准确、精度高、响应快，可满足微位移测量系统设计功能的要求。由测量结果可以得知，该微位移传感器测量的线性度小于1 %。

4 结束语

本文实现了基于STM32的嵌入式光纤束微位移传感器系统软件和硬件的设计，该系统具备测量快速反应、成本低、线性度好等特点。实验证明：该光纤束微位移传感器系统性能稳定，工作可靠，可以应用于对各类微小位移测量要求较高的场合。

[1] 胡新宁,王秋良,崔春艳，等.光纤传感测量系统在超导转子旋转装置中的应用．光学精密工程，2008,16(11)：2092-2097．

[2] 徐建强,江驰,张惠，等.检测表面粗糙度的光纤传感器研究．计量学报,2002(4):280-282．

[3] 潘洪亮,董惠娟,张广玉，等.分程式双灵敏度光纤光栅压力/温度监测装置的研制．中国激光,2013(2)：163-168．

[4] 柯涛,朱涛,饶云江，等.基于空芯光子晶体光纤的全光纤法布里-珀罗干涉式加速度传感器．中国激光,2010(1):171-175．

[5] 杨华勇，吕海宝，徐涛．基于单光纤对模型的光纤束调制函数的建模与仿真．光子学报，2002(6):719-724．

[6] 陈幼平,曹汇敏,张冈，等.反射式光纤束位移传感器的建模与仿真．光电子激光,2005(6):653-658．

[7] 刘新月,吕增良,孙以材．压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计．传感技术学报,2007,20(3):567-569．

Design of Embedded Optical-fiber Bundle Micro-displacement Sensor Based on STM32

CUI Lu-jun，GUO Hong-hong，SHANG Hui-chao，LIU Dong

(School of Mechanical & Electronic Engineering，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China)

In this paper,aiming at the requirement of high-accuracy measuring of micro-displacement,an embedded optical-fiber bundle micro-displacement sensor was proposed based on the STM32 processor．The sensor using the working principle of light-intensity optical fiber bundle displacement sensor,took STM32F103ZET6 as the core．Optical fiber bundle sensor was used to measure micro-displacement．The micro-displacement data collected by the software were used to accomplish linearized processing and temperature compensating,and transmitted to host computer which implemented functions of data active display,query and storage．The micro-displacement sensor exhibits the features of low-cost,high detecting precision and convenient to operation,and also can be widely used to detect various micro-displacement in industrial environment．

micro-displacement measurement;optical-fiber bundle sensor;embedded system

河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A460118)；河南省基础与前沿技术研究项目(132300410177)；郑州市普通科技攻关项目(131PPTGG416-1);河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B460011)

2014-09-03 收修改稿日期:2015-02-02

TP39

A

1002-1841(2015)07-0018-03

崔陆军(1981—)，副教授，博士，主要研究领域为网络化、微光纤传感器。E-mail：cuilujun@126．com