基于MSP430的液位监测光纤传感器系统设计.doc

南京信息工程大学硕士学位论文基于MSP430的液位监测光纤传感器系统设计姓名王箭申请学位级别硕士专业信号与信息处理指导教师肖韶荣20100501摘要随着我国经济社会的发展对水文信息不断提出要求水文观测项目和内容不断增加对观测手段、方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展也促进了水文监测技术自动化的发展。在水文监测系统中常常需要对水位点进行较高精度地实时检测为了满足水文监测系统的要求设计了一套液位检测系统系统采用双膜盒作为水压的敏感元件将光纤微位移传感器用于检测膜盒随水压变化引起的形变。系统的信号处理电路包括光信号前置放大电路、带通滤波电路、真有效值转换电路。系统以单片机为控制核心利用其自身丰富的资源在少量外部元件的帮助下实现对液位变化的实时检测有良好的人机操作界面。系统操作简单、携带方便、实现了对液位变化的快速测量测试结果准确可靠。关键词双膜盒光纤传感器、液位检测独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得南京信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示谢意。学位论文作者签名签字日期弓蜱关于论文使用授权的说明南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊光盘版杂志社、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文并通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外允许论文被查阅和借阅可以公布包括刊登论文的全部或部分内容。论文的公布包括刊登授权南京信息工程大学研究生部办理。口公开口保密年月保密的学位沦为在解密后应遵守此协议学位论文作者指导教师签名签字日期举斗签字日期南京信息工程大学硕士学位论文第一章绪论引言从上世纪年代以来随着现代科技的飞速发展越来越多的新技术运用于各行各业人们对信息传递的要求越来越高尤其是在水文监测方面。以长江上游为例该区域以山区性河流为主有三大暴雨中心灾害性洪水较多。测报系统除了为国家防总、重庆市防汛办、长江防总、三峡工程及沿江省、地、市的个防汛部门提供水情信息外还为航运、航道、供水、港务、码头等余个企事业单位提供水情服务。在这些大量的监测、预报任务中原始数据的实时传输并汇总上报是一大难题为了提高水文监测预报的实时性、可靠性采用先进科技手段对现有水文监测管理进行系统改造己势在必行。水文监测不仅仅出现在沿海、湖泊地区在我国矿井水害问题一直是制约我国煤炭生产的因素之一严重威胁着煤矿的安全生产。在煤矿生产过程中对采掘工作面的涌水量、水沟流量、含水层水位动态情况等进行检测了解水文动态情况及时发现危险征兆并采取预防措施是一项非常重要的防治水工作口。目前还有不少煤矿众多观测点的水文动态情况由人工定期逐点观测一是观测人员少、工作量大二是观测密度满足不了水害预测预报对观测的实时性要求特别是水害事故发生前不能及时发现异常情况三是难以同步获得各观测点数据四是人工观测经常出现人为地观测误差。矿井水文动态实时检测系统可较好的解决上述问题。本系统针对水文监控管理系统的具体特点将微位移光纤传感器应用于液位检测方面。具有较好的实用性、可靠性。采用本系统能对水文勘测站的水位、蒸发等水情参数实行监控通过采用本系统监测洋面的变化情况从而为更进一步了解海洋洋面的变化提供了更有效地方式、方法对于矿井中出现的水害实现了矿井水文监测的智能化和实时性整个检测过程按一个键即可完成系统操作方便、简单不需要专业培训即可操作系统。液位检测方法及光纤位移传感器的优点液位检测是许多部门工作和生产工艺过程中经常遇到的一个重要问题。从测量时限来说有的测量时间没有限制有的却是要求实时的从测量范围来看大的可达几十米小的只有几十厘米从测量条件来讲有的简单有的南京信息工程大学硕士学位论文复杂。近年来随着科学技术的发展和生产单位产品的成本的降低出现和普及了一些能够满足这些要求的液位检测方法。湿支管式和吹气式液位测量方法由于高性能差压变送器的出现使差压式测量液位的方法得到了越来越广泛的采用。一般差压式测量有压设备的液位经常采用湿支管式和吹气式两种管路连接方法。湿支管式要求在被测设备的侧壁开上下两个取压孔吹气式取压孔虽然开在被测设备的项部但是测量时需要往被测设备吹气。其缺点是测量精度较低、且实时性不高而且当遇到被测设备既不允许在侧壁开取压孔的同时又不允许往里吹气的情况下上述两种方法就无法满足使用了。超声波液位检测法超声波液位检测方法是通过检测信号的传播时间来确定液位的具体数值的。这种方法能够满足实时、在线检测要求而且具有较高的精度较好的重复性和稳定性。超声波在气体中传播衰减小。且液气两种介质的声阻抗率差别极大约倍反射极强透入甚少即几乎全部反射。由于超声波界面反射信号强发射和接收电路简单因而应用较为广泛。超声波测量液位的方法很多其中得到广泛应用的是脉冲回波法。这种方法是将检测信号施加于超声换能器所发出的超声波。超声波经过介质传播到达待测液面时会在液体表面反射形成反射波反射波被接收传感器接收并转换成电信号由二次仪表测出超声波从发射到接收所需的时间再根据介质中超声波传播速度和换能器的安装高度计算出液位高度的变化。其缺点是超声波的传播速度受介质的密度、压力、温度、浓度等因素影响要实现较高精度的测量需要对测量方法进行相对较复杂的改进以排除超声波速度变化所带来的干扰并且由于液面的波动所引起的误差较大。光纤位移测量方法与传统传感器相比光纤液位传感器具有抗化学腐蚀、精度高等常规传感器无法比拟的优点由于它是用光而不是用电作为敏感信息的载体用光纤而不是用金属导线来传递敏感信息因此它还具有灵敏度高、频带宽、动态范围大、空间分辨率高、对被测对象不产生影响的特点能被使用在易燃易爆、有毒、有害、强电磁干扰等恶劣环境中。此外由于光纤不仅是敏感元件而且也是一种优良的低损耗传输线因此可以实现对待测液位的远距离遥测。南京信息工程大学硕士学位论文目前由于液位测量的光纤传感器有很多种骆字锋陆等人采用了一种基于法布里一珀罗腔干涉仪的高精度连续性光纤液位传感器采用反射光由于腔腔长改变使干涉输出的光强发生相应变化根据测量输出光能量得到相应压强的大小继而可计算得到液位高度裴丽姆等人采用了以汞包层光波导为传感头的光纤液位传感器利用连通器将液位的变化转变为汞包层光波导层长度的变化通过对汞包层光波导引起光功率衰减的检测得到相应的液面高度彭勇口等人选用折射率的光纤芯径根据光纤的传输功率随外界介质折射率的变化而变化这一特性研制成折射率调制光纤油水界面监控仪高建忠哺等人采用基于光纤微弯效应的光强调制器型压力传感器当水下压强发生变化时光纤发生弯曲破坏了光纤中的全反射传输条件传输的光辐射入光纤包层中并损失掉通过检测光纤中传输光强的变化从而得到对应的压强变化。反射光强度调制型光纤位移传感器具有灵敏度高、不受电磁干扰、体积小、重量轻、使用方便等特点作适当改进很容易实现对应变、压力、振动、温度以及表面粗糙度等多种物理量的测量。因此在光纤传感器中占有重要的地位。反射式光纤位移传感器由发送光纤和接收光纤组成。利用被测物体与接收光纤相对位移发生变化时接收光纤接收到的物体反射光强随之变化这一基本原理测出物体位移量的大小。综合上述的测量方法结合实际的应用场合和技术要求本系统采用反射式光强度调制型光纤位移传感器测量方法做为液位检测的原理。本论文的主要工作本论文的主要任务是设计一种基于反射式光强度调制型光纤位移测量法的液位检测系统使其能够达到操作简单快速检测结果准确可靠的目标。完成的主要工作有制定液位检测系统的设计方案。根据设计方案中技术参数设计电路。绘制各个模块电路图。光纤探头和电路板的安装。编写单片机控制程序并调试通过。整机调试和系统指标测试。系统以作为控制核心通过将光源、光电检测器以及键盘、南京信息工程大学硕士学位论文显示集成于一体实现了系统的便携化、微型化与智能化。系统可以方便的实现液位的快速检测并把检测结果和系统的状态信息通过液晶屏显示出来方便人机交互。南京信息工程大学硕士学位论文第二章液面高度光纤传感器的工作原理测量原理光纤微位移传感器的探头部分是整个系统中最为重要的部分光纤液位传感器的结构见图。传感器的主要组成部分有双膜盒、光纤位移探头和防水支撑结构。双膜盒是水压变化的敏感组件常使膜盒内部成真空状态实际上膜盒内气压远小于膜盒外气压。膜盒中央为光滑平面近似反射平面为提高反射光强度可以在膜盒中央粘贴一个小反射镜。水压变化时双膜盒的个膜片均发生形变在一定的水压范围内膜盒中央的位移形变量与水压的变化量成正比通过光纤位移探头测量膜盒中央的位移形变量实现对水压室水压的测量从而得知水面高度变化量汨。在实地使用中为防止水中大颗粒的泥沙等污物对测量的影响在水压室的入口贴一层纱网。永压室图双膜盒压力传感器的结构由于激光能量高度集中方向性好频率单纯相干性好传感器采用激光作为光源。将激光通过聚焦透镜耦合入光纤由接受光纤接受双膜盒平面的反射光通过测量光强的变化得到膜盒平面与接受光纤之间的位移变化情况从而检测到液面的变化。将图所示的水压室放入水下处则在处所受到的水面压强为其中为液体的密度系统采用双膜盒串联作为水压的敏感元件第一个南京信息工程大学硕士学位论文膜盒的膜片中央焊接在基座连杆上第二个膜盒的膜片成自由状态其中粘贴一个小反射镜。膜盒外部压强增加时膜盒压缩膜片中央的反射面向左位移压强减小时膜片中央的反射面向右位移。由于双膜盒个膜片的共同作用反射面所在的膜片中央的最大弯曲位移为。广一觚矿?其中是平均压强是膜片的半径是膜盒厚度是膜盒材料的泊松系数是膜盒材料的弹性模量令一则有。皿。由式和式可以得到吼眦从上式可以看出当液面发生变化时膜盒的位移量也随之发生变化而一可以通过系统的探测电路得出即可以通过测量膜盒位移的变化而得到液面高度的变化。系统框图及检测系统构成光纤液位传感器的系统框图如图系统主要包括激光调制器、光纤位移探头、双膜盒检测器、光电探测器、前置放大器、带通滤波器、真有效值转换和后置放大器等。图系统框图系统主要由光强稳定系统和光强检测系统两部分组成。在光强稳定系统中由于半导体激光管内部结构简单、驱动电压低、便于调制等优点此外考虑到南京信息工程大学硕士学位论文系统能够在野外及恶劣环境条件下正常使用和方便携带系统采用半导体激光管作为光源。在光强检测系统中采用光电二极管作为接收器将输出的光电流送入前置放大器转换为电压信号再经过带通滤波和真有效值转换得到的直流电压信号经后置放大后由单片机对获得的信号进行处理并输出显示结果单片机选用德州仪器公司推出的超低功耗型位单片机。光纤位移探头输出特性分析由光源发出的光经发射电压图位移与输出信号曲线射光纤中的光不能反射到接收光纤中去接收光纤中无光信号当被测表面逐渐远离光纤探头时发射光纤照亮被测表面的面积越来越大因而接收光纤端面上被照亮的区域也越来越大有一个线性增长的输出信号当整个接收光纤被全部照亮时输出信号就达到了位移输出信号曲线如图上的“光峰光峰点以前的这段曲线叫前坡区当被测表面继续远离时有部分反射光没有反射进接收光纤而且由于接收光纤更加远离被测表面接收到的光强逐渐减小光敏元件的输出信号逐渐减弱进入曲线的后坡区】。在位移输出曲线的前坡区输出信号的强度随位移变化的很快这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区信号达到最大值其大小取决于被测表面的状态可用于粗糙度的测量。考虑到图线中前坡的灵敏度较高和测量的唯一性系统采用前坡作为工作区间。在系统中需要确定水压传感装置的工作点即确定光纤探头端面和膜盒输射纤被束测纤纤发面发光据纤被光光表与受根光量于当时件由接。收测由件测光的件接可。径测被射起元至化化孔被到反一敏射变变的贴射的在光反的的小紧入面扎至面度离大部柬表柬输表强距定端纤件纤传件光面一头光工光束测的表有探南京信息工程大学硕士学位论文反射面的间隔首先测得光纤位移探头的输出特性曲线如图所示。图光纤位移探头工作特性图中表明在波峰前端有一段线性度较好的区间线性区的中点对应探头端面离反射面约处。选择该点作为系统的工作点确定初始状态。在实验装置中光纤采用多光束光纤光纤分布呈半圆状投射光纤输出端和接受光纤接收端纤芯直径为。膜盒内部为低真空状态测量时调整探头位置将探头位置设置在输出特性曲线中较为灵敏的位置上当水面升高引起压力增加时膜盒压缩间隔增大若压力减小时膜盒膨胀间隔减小。南京信息工程大学硕士学位论文第三章电路系统设计稳光强激光调制系统光源的选择反射式微位移光纤传感器的光源在选择上应满足以下条件甜、光源发射的辐射能量具有足够的强度其能量随波长变化尽可能小、能够在野外和恶劣环境条件下稳定工作、有较长的使用寿命考虑到以上条件系统采用带背向光检测器输出的半导体激光器其结构如图波长为。【。图半导体激光器结构半导体激光器是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射。它具有半导体和固态物质的共同优点体积小、重量轻、结构简单、价格便宜、寿命长、可连续发射其工作电压和电流与集成电路兼容。由于系统的探头部分采用硬度较高的有机玻璃做框架在系统进行测量时需要对光源进行调制以区别于环境背景光。半导体激光器最重要的特性是在发射阈图半导体激光器特性曲线值以上的一段区域输入电流与输出功率呈线性关系这样就可以通过调制输入电流对的输出直接调制并且相应速度快调制频率可高达几兆赫兹。图为半导体激光器理想特性曲线。从理论上讲当半导体激光器工作在额定范围内时输出光功率与注入电流应该是严格线性的关系其一阶微分曲线是一条近似水平的直线。如果在阶微分曲线上出现了明显