STM32与水下测量的光纤曲率测试的测试系统

2万 · 2019-7-12 11:29

传感器电路的信号从光电三极管输出，依次经过的功能单元电路有:放大电
路、滤波电路以及电压转化电路。所以在布置IC时，从左到右依次按照信号的
流向安排，然后分别以每个功能模块的核心元件AD620和OP07为中心，将电
阻、电容紧密、整芥地布置在其周围，以缩小电路板所占空间。由于核心IC都
是双电源供电，故考虑将负压转换芯片LM2662布置在低通和高通滤波电路的两
个核心元件之间，以便缩短电源连线。
信号调理电路的信号频率低，正常工作电流较小，所以基本不用考虑发热和
电磁干扰的因素。只需将IC芯片的滤波电容尽可能靠近电源的输入与输出，如
将滤波电容C4放置在AD620芯片的7引脚附近。为简化线路连接，将单片机
最小系统布置到信号调理电路的PCB板上，此时晶振电路的晶振要避免与接口
靠得太近。另外，还有些细节也要引起注意，比如在走线时要避免90“连线(容
易造成尖端放电和积聚杂质)，BOOT的正负极的标志应该在PCB的丝印层明
显标出等等。
利用电路设计软件Altiun designer对传感器电路进行PCB板布局设计。电
路板设计为双面板，元件刚好紧凑排布在顶层，绘制后的PCB板如图3. 25所
示，PCB加工尺寸大小约为62mm X 43mm o

2万 · 2019-7-12 11:31

连接好电路，利用函数发生器输出的频率为!kHz、占空比为500Yo、电压峰值
为SV的方波对LED进行脉冲调制，然后通过数字示波器观察传感器输出的微
弱信号在经过放大、放大一滤波、放大一滤波一电压转换等电路后的实际输出波形。
图3. 27为函数发生器输出方波信号。如图3. 28所示，传感器的输出信号的电压
幅值被放大，有效值为1. 4V，但波形受到噪声较大的影响。如图3. 29所示，信
号经放大滤波后，输出波形稳定的正弦波，原来混有的噪声已经被基本滤除。如
图3. 30所示，通过调节可变电阻的阻值，正弦波信号被抬高到0电平之上，且
正弦波最大瞬时电压为1. 5V左右，电压值均在0^-3. 3V之间。
综上所述，实际电路的性能与原理设计分析及电路仿真结果基本保持一致，
均能实现对传感器输出微信号的有效处理。

2万 · 2019-7-12 11:31

2万 · 2019-7-12 11:32

噪声测试的目的在于检验电路布板布线的好坏。一般电路噪声要求小于5%0
在利用光电三极管进行光电转换的过程中，输出的信号电压常常伴随着噪声，直
接影响了整个传感器系统的准确性。光电三极管是光电检测电路中实现光电转换
的唯一器件，是进行后续信号处理的先决条件，它的性能优劣直接影响到整个系
统的输出精度。因此，在该传感器电路中重点对光电三极管的噪声进行测量分析。
但在检测光电三极管的噪声之前，先对驱动光电二极管的电源的噪声进行检测。
一般地，测试电源噪声都会采用同轴电缆加隔离电容的方法测试(隔离电容与电
路匹配)。但由于条件的限制，此处采用示波器直接测量。在测量噪声信号前，
先要检查示波器的固有噪声;测量时，探头要打到lx档位，通道输入祸合打到
交流祸合，并开启带宽限制功能。利用示波器测量电源的噪声如图3. 31所示，
电源噪声电压较大，峰峰值达到4. 32mV o
用1 kHz的方波去调制光电二极管(原理图如图3. 6 )，然后利用示波器对
光电三极管的输出信号进行傅里叶变换FFT，得到输出的噪声信号的频谱分布，
如图3. 32所示，其中噪声主要集中在50^-SOOHz之间，且最大噪声峰峰值为
7mV左右，这其中的噪声信号主要包括了电源、光电三极管的内部噪声以及外
界环境的噪声。忽略掉外界噪声的影响，可知光电三极管的最大噪声值为3mV
左右，且相应的频率分布在50 ^-500Hz之间。由于滤波电路的通带为650 ^-
I 350Hz,噪声经过滤波电路，其电压幅值最小衰减3dB，即噪声最大为3uV(相
比有效的输出电压可以忽略)，因此，该传感器电路可以有效地将有效信号从噪
声中介离由夹。

2万 · 2019-7-12 11:33

测量电路动态指标时，都是在输出电压波形没有削波失真情况下进行的。放
大器输入信号幅度过大，就会使晶体管截止或饱和。晶体管截止或饱和时，正弦
波输出电压的波峰或波谷就会被削平，发生削波失真。刚发生削波失真时放大器
输出电压的幅度就是不失真动态范围，也叫做输出范围，或最大不失真电压幅度，
它是放大器的一个极限指标。其测量方法是用单一频率信号输入到放大电路中，
在示波器上直接读数，当示波器上信号输出幅度达到最大时测量输出电压的峰值
即为最大不失真动态范围。
调节放大电路中的可调电阻的阻值，使传感器电路工作在零界状态(当光纤
敏感区负向和正向弯曲到最大程度时，输出电压波形不失真且波形读数稳定)，
测量如图3. 35，不失真输出电压的最大输出电压为21 OOmV，最小输出电压为
75mV，故电路的输出的动态范围为75 ^-21 OOmV(峰值)。

2万 · 2019-7-12 12:39

设计的放大电路最大增益100。由于随着光纤的弯曲程度不同，光电三极管
的输出电压是在一定范围内是变动的，所以需要根据光纤的弯曲变化对放大电路
的增益进行调节以达到适合的测量状态(增益过大会造成输出失真，增益过小，
输出电压动态范围过小)。在最大输出电压和最小输出电压的两种状态下，放大
电路的可调电阻的电阻值分别为64052和5490 }2(此时放大电路的增益对应为
78和10)，故在测量曲率的过程中，可调电阻可在640^-549052之间变动。对应
地，放大电路的增益变化范围为10^-780
滤波器的通带设计目标为800 ^-1200Hz，利用函数发生器分别输入频率为
100, 150,…，2000Hz，电压幅度为1V的方波，用示波器观察输出的波形。当
波形无失真且电压读数相对稳定的频率临界点分别为700Hz和1300Hz，即带宽
为600Hz，所以实际通带虽与设计目标有稍微差距，但不影响其滤波的功能。
通过对电路的关键性能指标的测试，得到:滤波电路的噪声系数为1.38，且
信号滤波器后的信噪比控制在5%左右，符合噪声控制要求;中心频率为I OOOHz,
带宽为600Hz，满足信号滤波要求。放大电路的最大增益为100，能满足增益的变
动范围10^-78，且整个电路的输出电压动态范围75 ^-21 OOmV，满足传感器的测
量范围要求。

2万 · 2019-7-12 16:20

传感器输出的电压信号利用单片机采集，然后通过RS-232接口将数据送给
上位机。由于数据采集的速度以及程序量不大，可选用32位的单片机
STM32F103C8T6。这款单片机总共有48个引脚，含有2个串口USART, 2个
ADC模块，外围设备包括直接内存存取DMA、脉冲宽度调制PWM等，它在
2. 0^}3. 6V的电压下即可正常工作。为使整个传感器的硬件系统尺寸尽量小，将
单片机整合到传感器电路中。采集传感器电路输出的电压信号需要用到单片机的
AD转换、DMA及串口通信模块，所以设计的单片机最小系统如图4. 1所示，
其主要包括复位电路、晶振电路、BOOT设置电路、USB供电引脚模块、串口引
脚模块等部分[53]，其中AD采样IO口PAO. PA 1分别与位移传感器(研究传感
器的特性实验中要用到)、传感器电路的模拟输出连接。

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在LabVIEW中，与下位机进行通信一般可分为以下三步:
第一:串口配置，即串口的初始化，利用串口配置节点对串口的波特率、停
止位、校验位等参数进行匹配和设定。
第二:读写串口，利用串口读取节点或串口写入节点对串口进行读写。
第三:关闭串口，停止所有读写操作，解除串口的占用。
当读写串口数据时，若串口收到终止符，软件会自动结束一帧数据接收。为
避免接收数据包含终止符，出现误操作，可将“启用终止符”这一端输入设置为
False。另外，当串口读取字节节点采用指定读取串口缓冲区的字节数方式时，若
该节点读取的字节数一直未达到，程序会一直停在该节点上。如果在超时的时间
内还未完成，程序就会报错。为解决这一问题，可将串口字节节点Bytes at Port
的输出与串口读取节点的“字节总数”的输入端连接，这样就能保证串口读取节
点每次都把串口中的数据读完[59J0
在串口通讯时，设置波特率为115200(与单片机串口配置一样)，无奇偶校
验，8位数据位，1位停止位，无终止位，禁止软、硬件握手。程序框图如图4. 5
所示，将串口配置和节点和关闭串口节点放置在While循环外，因为这两个节点
在采集数据时只需要打开和关闭一次;而串口字节节点和串口读取字节节点需要
在循环里面，不断读取串口的数据。在循环里面需要设置循环等待时间SOms,
避免CPU一直被占用。

2万 · 2019-7-12 16:22

在接收下位机发送的帧数据时，一定要先了解帧格式，这样才能正确解析出
帧里面的数据来。上位机在开始接收数据时，不能保证接收的第一个字节就是我
们需要的帧头，因为下位机是一直处于发送数据的状态，很可能在串口发送一帧
数据的过程中串口就被初始化或者被清空了一次缓冲区，那么这一帧数据的前面
部分数据可能就会丢失，只留下后面一部分数据。因此需对上位机收到的数据进
行分析。结合下位机传输的数据格式，可以利用搜索替换字符串、截取字符串等
字符串函数，进行处理。因为下位机打印输出的数据格式为“…个byte , # , 4个
byte , 4个byte , # } } "，解析帧的数据的程序框图可设计如图4. 6所示:先利用搜
索替换字符串确定第一个标识符材的偏移量，然后截取包含两组数据的字符串。
注意截取字符串函数的字符偏移量从0开始，而搜索替换字符串的字符偏移量从
1开始，所以标识符#的偏移量要减去1才是截取字符串函数所要截取的字符的
开始偏移量。最后再拆分组内的两个字符串，得到两组独立的字符串数据。若要
将数据进行显示，则还需要用十进制数字符串至数值转换函数将字符串中的字符
转换为十进制整数。

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当传感器用于测量水下变形(圆锥)时，上位机与单片机进行通信，实时绘
制输出电压与曲率之间的关系曲线，如图4. 10和4. 1 I。对比图5. 26，并根据相
关的精度分析，可知上位机能够实时显示变形的曲率变化，并正确判断弯曲变形
的方向。另外，在第5章传感器的悬臂梁、简支梁的特性研究实验中，上位机能
够准确显示传感器输出电压与弯曲曲率之间的关系曲线。总之，以上实验都体现
了可视化上位机对曲率变形的监测能力。

2万 · 2019-7-12 16:25

光纤曲率传感器的特性是光纤在弯曲时光的能量参数所表现出来的外部特
征，它决定了传感器的使用性能和测量精度。传感器的特性包括静态特性和动态
特性。本章主要研究了光纤曲率传感器在稳定工作状态下输出电压与弯曲曲率的
关系，其中包括线性测量范围、测量精度、灵敏度等静态性能指标。另外，由于
实验条件的限制只进行了阻尼振动动态响应测试。最后，将光纤曲率传感器运用
到水下简单变形的曲率检测，并与水上的测量精度、误差进行对比分析。

2万 · 2019-7-12 16:26

2万 · 2019-7-12 16:28

STM32与水下测量的光纤曲率测试的测试系统

技术奇才奖章

伴坛终老