CN102706284B - 一种绕制光纤精确长度的计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绕制光纤精确长度计量系统及方法，系统包括绕制光纤机，其特征是：还包括机器视觉装置、工控机、单片机子系统、行程开关与光电编码盘；所述机器视觉装置包括光源和高清摄像机；所述工控机包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器；所述单片机子系统包括信号采集模块和数据通信模块；本发明中使用光电编码盘和行程开关结合机器视觉采集回的图像对在绕制光纤进行精确计量，可以避免在光纤绕制过程中出现故障时，例如光纤环打滑和光纤回叠时对光纤长度的计量产生误差，确保可以对光纤长度进行实时准确无误的计量。

Description

一种绕制光纤精确长度的计量系统及方法

技术领域

本发明属于测试与控制技术领域，涉及一种绕制光纤精确长度计量系统及方法。

背景技术

光纤环是光纤陀螺中的关键器件，它是光纤陀螺中用于敏感输入角速度引起的两相向传播光波之间的Sagnac相位差的部件，由Sagnac效应的原理可知，光纤环的面积及其上所绕制的光纤长度都直接影响着光纤陀螺的精度。因此，在制备光纤陀螺使用的光纤环的过程中需要对光纤的长度进行实时精确地计量。

在光纤环绕制过程中，对光纤长度进行计量最常使用的是光电编码盘，使用光电编码盘可以简单便捷的对在绕制光纤的长度进行计量，但是由于光电编码盘是通过统计输出的脉冲数来计光纤环绕制的圈数，进而根据光纤环的半径求取绕制光纤长度的，但是随着绕制层数的增加，光纤绕制的半径也会变化，并且半径的变化并不简单的是光纤直径的累加，因此，光电编码盘输出固定脉冲个数所对应的绕制长度就会发生变化。虽然光纤的直径一般是微米级的，但是这种方法计量光纤的长度还是不够精确，存在一定的累积误差。而且一般的方法是在假定光纤绕制过程中无任何故障出现的情况下进行计量的，在实际的光纤绕制过程中会出现待绕制光纤环空转、光纤回叠等现象，在这种情况下，用光电编码盘不能对实际长度进行精确计量。

鉴于这些原因，本发明提出了使用机器视觉结合光电编码盘和行程开关的方法来对光纤环绕制光纤的长度进行精确计量。

发明内容

本发明的目的是针对现有绕制光纤长度计量中的问题，提供一种在光纤绕丝机上使用光电编码盘和行程开关结合机器视觉对正在绕制光纤的长度进行精确计量的系统及方法，以确保在任何情况下对光纤长度的计量实时、精确。

随着机器视觉测量技术的发展，这种技术逐渐被使用在高精度测量领域。机器视觉测量技术是测量被测对象时，从图像中提取有用的信号，把被测对象的数字图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的方法。这是一种综合的技术，由图像成像和采集技术、计算机接口技术、数字图像处理技术等交叉而来。由于光纤直径很小，生产批量大，使用传统的单一方法对光纤精确测量有难度，因此，为了解决上述绕制光纤长度计量的问题，

本发明的技术方案如下：

一种绕制光纤精确长度的计量系统，包括绕制光纤机，其特征是：还包括机器视觉装置、工控机、单片机子系统、行程开关与光电编码盘；所述机器视觉装置包括光源和高清摄像机；所述工控机包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器；所述单片机子系统包括信号采集模块和数据通信模块；所述高清摄像机、单片机子系统、显示器均与工控机的中央微处理器相连接；其中：

所述光源采用LED线性光源，光源的位置设在机架的底板上，在绕制光纤机的绕制光纤环的一方（正下方）；所述高清摄像机采用高清摄像机，高清摄像机的位置设在绕制光纤机的绕制光纤环另一方（正上方），高清摄像机的位置与光源的位置相对应；

所述光电编码盘安装在绕制光纤机的主轴上，即与绕制光纤环同轴；所述行程开关安装在绕制光纤机的机架底板上，即控制绕制光纤机的平移的精密丝杠的两端部；所述行程开关和光电编码盘与所述单片机子系统的信号采集模块连接并通过数据通信模块与工控机连接及数据通信；

一种绕制光纤精确长度的计量方法，其特征是：

首先，使用光电编码盘和行程开关来对光纤环绕制过程中的绕制匝数及层数进行检测；并通过所述单片机子系统的信号采集模块及数据通信模块传输给工控机，由工控机进行每层的匝数统计及层数统计，并进行数据处理与计算绕制光纤的长度；

其次，使用机器视觉装置进行自动采集光纤绕制图像，在规定时间内经过一系列图像处理后得到已绕制光纤的像素点坐标信息，并传输给工控机，再由工控机根据高清摄像机的像素点尺寸求取每次绕制光纤的实时半径变化，进而得出绕制光纤的长度的误差修正值；

最后，由工控机将绕制光纤环上的匝数及层数统计数，精确计算绕制光纤的长度；在显示器上显示精确的光纤长度、绕制匝数及层数。

所述层数统计是根据采集行程开关的输出脉冲数并结合机器视觉装置处理的图像结果来实现的；光纤环上每绕制一层光纤，行程开关输出一个脉冲，行程开关每输出一个脉冲，并在处理结果的图像中显示，且在单片机子系统中使用中断的方式进行层数统计；

所述每层的匝数统计是通过光电编码盘的脉冲数及机器视觉装置处理的图像结果来计算的，光纤环上每绕制一匝光纤，采用光电编码盘每输出固定个数的脉冲且图像处理结果中显示有一根新的光纤绕制在光纤环上，说明主轴转过一圈，此时光纤环绕制完成一匝；在单片机子系统中使用中断的方式实现匝数统计；

所述绕制光纤的长度的误差需要结合机器视觉的处理结果，来不断修正光纤环上绕制光纤的半径；其中：

在绕制过程中，根据光电编码盘的输出脉冲数和机器视觉装置识别出的光纤状态相结合可以保证光纤绕制过程中打滑时发现错误；

从光纤绕制特性及排列顺序可知，第二层每根光纤的排列是在第一层相邻光纤的间隙中，因此，第二层以上光纤的绕制半径的变化并不是简单的光纤环原始半径和光纤直径的相加，而是小于光纤直径的一个值，这个值通过机器视觉装置的高清摄像机处理的图像中光纤的像素点坐标信息精确地得到，相邻两层的像素点坐标差乘以机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸就可以算出第i+1层相对于第i层的光纤绕制半径变化。

本发明的突出实质性特点和显著的有益效果是：

本发明的可以避免在光纤绕制过程中出现故障时，例如光纤环打滑和光纤回叠时对光纤长度的计量产生误差，确保可以对光纤长度进行实时准确无误的计量。

附图说明

图1光纤长度计量系统构成示意图。

图2光纤绕制层数统计中断服务流程图。

图3光纤绕制匝数统计中断服务流程图。

图4实时绕制光纤精确长度计量系统主程序流程图。

图5实时绕制光纤精确长度计量子程序流程图。

图6实时计算光纤绕制半径子程序流程图。

图中：1-机架，2-工控机，3-显示器，4-单片机子系统，5-稳压电源，6-待绕制光纤环，7-光电编码盘，8-高清摄像机，9-光源，10-第一个行程开关，11-第二个行程开关，12-精密丝杠。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种绕制光纤精确长度计量系统，它包括机架1、机器视觉装置、工控机2、单片机子系统4、待绕制光纤环6、光电编码盘7、行程开关10、行程开关11，精密丝杠12；机器视觉装置包括光源9和高清摄像机8；工控机2包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器3；高清摄像机8、单片机子系统4、显示器3均与工控机2的中央微处理器相连接。光源9采用LED线性光源，位置在所述机架1的底板上，在所述待绕制光纤环6的正下方，即采用背光照明方式。高清摄像机8采用CCD高清摄像机，位置在所述待绕制光纤环6正上方，并通过其上的接口与所述工控机2之间传输信息；工控机主机设置于机架2的底板上。单片机子系统4主要包括信号采集模块和通信模块，其中信号采集模块采集行程开关10,11和光电编码盘7输出的脉冲信号，并将此信号通过通信模块传给工控机的中央微处理器；行程开关10,11用两个反射式光电传感器实现，一个在精密丝杠12移动的起始位置正下方，另一个在精密丝杠12移动的终点位置正下方。整个系统通过稳压电源5供电。

本发明中使用光电编码盘和行程开关结合机器视觉采集回的图像对在绕制光纤进行精确计量的具体实施方式如下：

（1）层数统计：

光纤环上层数的统计根据采集精密丝杠下安装的行程开关的输出脉冲数结合机器视觉处理的图像结果来实现。光纤环上每绕制完成一层光纤，精密丝杠移动一段固定的距离，这段距离与光纤环的规格尺寸有关，这样随着光纤环上光纤不停的绕制，精密丝杠在这段固定的距离内来回往复运动，因此安装在精密丝杠下的行程开关，在光纤环上的光纤每绕制完一层即精密丝杠到达这个固定位置时就会输出一个脉冲，行程开关每输出一个脉冲且图像处理结果中显示开始新一层绕制时说明光纤绕制完一层，这样可以避免光纤回叠时误认为换层的情况发生。在单片机子系统中使用中断的方式实现层数统计，其流程图，如图2所示。

（2）匝数统计：

光纤环上每绕制一匝光纤，与其同轴的光电编码盘就会输出固有数量的脉冲。光纤环每层的匝数通过计与主轴同轴的光电编码盘的脉冲数及机器视觉装置处理的图像结果来计算，这样可以避免光纤绕机上待绕制光纤环打滑时错误的统计匝数。采用光电编码盘每输出固定个数的脉冲且图像处理结果中显示有一根新的光纤绕制在光纤环上，说明主轴转过一圈，此时光纤环绕制完成一匝。在单片机子系统中使用中断的方式实现匝数统计，其光纤绕制匝数统计中断服务流程图，如图3所示。

（3）光纤长度计量修正：

在绕制过程中，根据光电编码盘的输出脉冲数和机器视觉装置识别出的光纤状态相结合可以保证光纤绕制过程中打滑时发现错误，重新缠绕以实现正确缠绕和准确的计量长度。计量绕制光纤长度主程序流程图，如图4所示。

从光纤绕制特性及排列顺序可知，第二层每根光纤的排列是在第一层相邻光纤的间隙中，因此，第二层以上光纤的绕制半径的变化并不是简单的光纤环原始半径和光纤直径的相加，而是小于光纤直径的一个值，这个值可以通过处理的图像中光纤的像素点坐标信息精确的得到，相邻两层的像素点坐标差乘以机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸就可以算出第i+1层相对于第i层的光纤绕制半径变化。实时获取光纤绕制半径流程图，如图5所示。

为了给出计量光纤绕制长度的公式，在此给出各个指标取值范围及其标号。实时计算光纤绕制半径子程序流程，如图6所示，具体计算过程如下：

假设：

待绕制光纤环原始半径为r₀，机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸为aμm*aμm，k为每层光纤匝数(k=0,1,2…200)，绕制层数p（p=0,1,2…500），根据采集回的图像处理后得到光纤环第一层第一根光纤的像素点最上最左坐标信息为(x₁₁,y₁₁)，第二层第一根光纤的像素点最上最左坐标信息为(x₂₁,y₂₁)，依次类推，第i层第j根光纤的像素点坐标信息为(x_ij,y_ij)(i=1,2…100,j=1,2…200)，光电编码器一共可以输出的脉冲个数为m，光电编码器已输出的脉冲个数为m₁，在绕制完后。

第一层第k根光纤后的长度计算公式是：

$k*2\mathrm{\π}{r}_0+m_1*\frac{2\mathrm{\π}{r}_0}{m}$     （公式1）

第二层光纤长度计算公式为：

当前光纤绕制半径R_pi，当前光纤绕制层数p_i，当前光纤绕制匝数k_i

$k_i*2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{pi}}+m_1*\frac{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{PI}}}{m}$     （公式2）

其中：R_pi=(x₂₁-x₁₁)a+r₀

据此可以得出当前已绕制光纤长度计算公式为：

$L=k_1*2\mathrm{\π}{R}_{P1}+m_1*\frac{2\mathrm{\π}{R}_{P1}}{m}+k*2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{PI}}$     （公式3）

据以上方法计量长度的误差计算公式为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{pi}}}{m}$     （公式4）

若不依据机器视觉处理的结果求取绕制半径，则误差计算公式为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{2\mathrm{\π}(r_0+p*d)}{m}$     （公式5）

由公式5可以看出随着光纤绕制层数的增加此累积误差会越来越大。

因此，随着光纤环上光纤的绕制，光纤层数增加，光电编码盘输出固定个数脉冲所对应的光纤绕制长度随着层数不同而不同，计量光纤长度要结合机器视觉的处理结果，来不断修正光纤环上绕制光纤的半径。

Claims (3)

1.一种绕制光纤精确长度的计量系统，包括绕制光纤机，其特征是：还包括机器视觉装置、工控机、单片机子系统、行程开关与光电编码盘；所述机器视觉装置包括光源和高清摄像机；所述工控机包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器；所述单片机子系统包括信号采集模块和数据通信模块；所述高清摄像机、单片机子系统、显示器均与工控机的中央微处理器相连接；其中： 

所述光源采用LED线性光源，光源的位置设在机架的底板上，在绕制光纤机的绕制光纤环的一方；所述高清摄像机采用高清摄像机，高清摄像机的位置设在绕制光纤机的绕制光纤环另一方，高清摄像机的位置与光源的位置相对应； 

所述光电编码盘安装在绕制光纤机的主轴上，即与绕制光纤环同轴；所述行程开关安装在绕制光纤机的机架底板上，即控制绕制光纤机平移的精密丝杠的两端部；所述行程开关和光电编码盘与所述单片机子系统的信号采集模块连接并通过数据通信模块与工控机连接及数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种绕制光纤精确长度的计量系统的计量方法，其特征是： 

首先，使用光电编码盘和行程开关来对光纤环绕制过程中的绕制匝数及层数进行检测；并通过所述单片机子系统的信号采集模块及数据通信模块传输给工控机，由工控机进行每层的匝数统计及层数统计，并进行数据处理与计算绕制光纤的长度； 

其次，使用机器视觉装置进行自动采集光纤绕制图像，在规定时间内经过一系列图像处理后得到已绕制光纤的像素点坐标信息，并传输给工控机，再由工控机根据高清摄像机的像素点尺寸求取每次绕制光纤的实时半径变化，进而得出绕制光纤长度的误差修正值； 

最后，由工控机将绕制光纤环上的匝数及层数统计数，计算绕制光纤的精确长度；在显示器上显示精确的光纤长度、绕制匝数及层数。 

3.依据权利要求2所述的一种绕制光纤精确长度的计量方法，其特征是： 

所述层数统计是根据采集行程开关的输出脉冲数并结合机器视觉装置处理的图像结果来实现的；光纤环上每绕制一层光纤，行程开关输出一个脉冲，行程开关每输出一个脉冲且图像处理结果中显示开始新一层绕制时说明光纤绕制完一层，这样可以避免光纤回叠时误认为换层的情况发生；在单片机子系统中使用中断的方式实现层数统计； 

所述每层的匝数统计是通过光电编码盘的脉冲数及机器视觉装置处理的图像结果来计算的，光纤环上每绕制一匝光纤，采用光电编码盘每输出固定个数的脉冲且图像处理结果中显示有一根新的光纤绕制在光纤环上，说明主轴转过一圈，此时光纤环绕制完成一匝；在单片机子系统中使用中断的方式实现匝数统计； 

所述绕制光纤的长度的误差需要结合机器视觉的处理结果，来不断修正光纤环上绕制光纤的半径；其中： 

在绕制过程中，根据光电编码盘的输出脉冲数和机器视觉装置识别出的光纤状态相结合可以保证光纤绕制过程中打滑时发现错误； 

从光纤绕制特性及排列顺序可知，第二层每根光纤的排列是在第一层相邻光纤的间隙中，因此，第二层以上光纤的绕制半径的变化并不是简单的光纤环原始半径和光纤直径的相加，而是小于光纤直径的一个值，这个值通过机器视觉装置的高清摄像机处理的图像中光纤的像素点坐标信息精确地得到，相邻两层的像素点坐标差乘以机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸就可以算出第i+1层相对于第i层的光纤绕制半径变化。 

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