CN103398659A - 光纤位移传感器及基于数据融合的多通道位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤位移传感器及基于数据融合的多通道位移测量方法，该光纤位移传感器包括光发射部分和光探测部分，光发射部分包括半导体激光器、驱动电源、聚光透镜和发射光纤；光探测部分包括依次连接的接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机处理单元，所述接收单元设有三个独立通道，每个通道设有一根接收光纤、一个凸透镜和一个光电探测器，其中三根接收光纤和发射光纤固定在一个探头上，发射光纤输出端和三根接收光纤的接收端处于同一平面内，三根接收光纤接收端到发射光纤发射端的距离分别为l₅、l₆、l₇，（其中l₇＞l₆＞l₅）。

Description

光纤位移传感器及基于数据融合的多通道位移测量方法

 

技术领域：

本发明涉及一种位移传感器，尤其是指利用多通道光纤检测的一种位移传感器，以及多通道位移测量方法。

 

背景技术：

位移测量是力学量测量中的重要一环。许多能够产生形变或转变为形变的物理量，均可以通过位移传感器检测。

光纤位移传感器主要有强度型和干涉型等类型。光强反射型是强度型光纤位移传感器中最典型的一种，结构简单、可用非相干光源、使用方便、可靠性较高；干涉型光纤位移传感器精度高，但必须使用相干光源、结构较为复杂、受环境干扰敏感。

一般光强反射式传感器中，传感探头由两根或多根光纤组成，其中一根或部分光纤发射光束，该光束经反射面反射，用另一根或部分光纤接收反射光束中的一部分，接收光强度与反射面到探头端面的距离有关。对于一根发射光纤和一根接收光纤的结构，传感器的灵敏度和线性范围与两光纤间的距离有关。对于光纤束结构的光强反射式结构，传感器的灵敏度和线性范围与两光纤束的分布形式有关。上述单根光纤或多根光纤构造的位移传感器，就接收信号的性质看都是一个通道。光强度与距离的关系特性曲线具有所谓光峰结构，导致光强与距离成多值对应关系，给应用带来一定困难，测量范围窄。光源光强变化和被测位移面的反射率变化对光纤传感器输出特性有影响。为克服以上缺陷，光强反射式位移传感器采用了一定补偿措施，如接收通道采用了双通道结构，用两个通道测得光强信号之比表征传感器的输出特性，该比值仅与传感器的几何结构参数有关，与光源光强和被测面的反射率无关，且光峰结构消失。也有利用两根光纤，其中一根光纤工作在上升或下降沿，另一根光纤工作于光峰位置，作为参考光信号，这种结构本质上仍然是单通道结构输出特性，但要固定一个通道在光峰位置，使传感器的应用很不便利。还有利用双通道测量和一个固定通道作为参考通道的三通道传感器，如汪晓东，叶美盈.宽量程反射式光纤位移传感器的研究[J].中国激光,2002,29(09)：813-816.。其中两个测量通道的信号分别与固定通道信号之比作为各自通道的输出特性。这种三通道方式，虽然可以在一定程度上拓宽光纤位移传感器的测量范围，但由于使用了固定通道，仍使得传感器的应用很不方便。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种长期可靠性高、能准确测量位移测量装置。

本发明的另一目的在于提供位移测量方法，该方法用使用数据融合技术，测量结果准确。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光纤位移传感器，它包括光发射部分和光探测部分，光发射部分包括半导体激光器、驱动电源、聚光透镜和发射光纤；光探测部分包括依次连接的接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机处理单元。所述接收单元设有三个独立通道，每个通道设有一根接收光纤、一个凸透镜和一个光电探测器，其中三根接收光纤和发射光纤固定在一个探头上，发射光纤输出端和三根接收光纤的接收端处于同一平面内，三根接收光纤接收端到发射光纤发射端的距离分别为l ₅、l ₆、l ₇，（其中l ₇＞l ₆＞l ₅）。

所述光电信号处理单元对应三根接收光纤的输出端设有三路，每一路包括前置放大器、带通滤波电路和精密有效值转换电路。

所述三根接收光纤排列成一条直线状，或三根接收光纤分别位于以发射光纤发射端为中心的l ₅、l ₆、l ₇为半径的圆周上。

该光纤位移传感器还包括一传感探头，发射光纤输出端和三根接收光纤的接收端安装在该传感探头上。

所述发射光纤和三根接受光纤的芯纤半径相当（相等或接近）。

每一路的光电探测器设有保持其特性参数不随环境温度变化的半导体温度控制电路。

一种基于数据融合的多通道位移的测量方法，其特征是：测量步骤包括：

（1）通过半导体激光器发射光脉冲序列，经会聚透镜会聚进入发射光纤，在发射光纤输出端投射到被测物体表面，并经被测物体表面反射回投射侧；

（2）三根接收光纤分别检测被反射的部分光束，各经一个凸透镜分别会聚到三个光电探测器表面；

（3）每个通道探测的信号分别由光电信号处理单元处理后，经数据采集单元送入计算机处理单元；

（4）计算机处理单元计算每个通道探测到的光功率，两两通道构建一个双通道光纤位移传感器，构建的三个双通道传感器，分别计算三个通道中每两个通道的信号值之比，用远离发射端的接收通道信号值除以靠近发射端的接收通道信号值（l ₅与l ₆相比，l ₆为远离发射端；l ₇与l ₅相比l ₇为远离发射端；l ₇与l ₆相比l ₇远离发射端），得到三根输出特性曲线；

（5） 对构建的三个双通道传感器输出数据进行融合处理,得到被测物体位移与三个双通道传感器输出参数的单值对应关系。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明采用三根光纤构成三个通道，每两个通道构成一个双通道光纤位移传感器，光纤位移传感器输出特不受光源光强度变化，提高了传感器的长期可靠性，能有效拓宽双通道光强反射式光纤位移传感器的测量范围；采用了神经网络算法对三个双通道数据进行融合，降低了测试不确定度。

附图说明：

图1为光纤位移传感器的结构框图；

图2为实施例的传感器探头结构示意图；

图3本发明光电信号处理系统原理图；

图4光发射总成；

图5光纤位移传感器三个双通道特性曲线测试结果；

图6一种RBF三层前向神经网络结构；

图7数据融合结果。

图中：a-光发射总成（包括半导体激光器、驱动电源、聚光透镜、发射光纤输入端）；b-传感探头（用于安装发射光纤输出端和三根接收光纤接收端）；c-被侧物体表面；e-光探测总成（三根接收光纤的输出端、三个凸透镜和三个光电探测器）；f-控制器箱（包括光电信号处理单元、数据采集单元和计算机处理单元）。

1-激光器驱动电源；2-半导体激光器；3-会聚透镜；4-发射光纤；5-7接收光纤；8-10凸透镜；11-13光电探测器；14-16前置放大器；17-19有源带通滤波器；20-22有效值转换器；23-同步采样器；24-计算机处理单元；25-数据传输接口。

具体实施方式：

实施例一：

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的光纤位移传感器，它包括光发射部分和光探测部分，光探测部分包括接收单元、光电信号处理单元，数据采集单元和计算机处理单元24，接收单元采用半导体光电探测器，即对接收光纤5、6、7接收的光束分三路进行采样，并将探测的光束分三路输出，每一路输出的光束均分别输入各自的光电信号处理单元，经各光电信号处理单元输出的信号经数据采集单元送入计算机处理单元24处理；由计算机处理单元24进行数据融合，得到光纤位移传感器探头端面到被测位移面间的距离d。光电信号处理单元包括：前置放大器14、15、16，有源带通滤波器17、18、19，精密有效值转换器20、21、22。数据采集单元采用同步采样器23，包括多路同步取样电路和A/D转换器。

光发射部分包括半导体激光器2、激光器驱动电源1和聚光透镜。激光器驱动电源1设置有激光器温度控制电路、光功率调制电路和光功率稳定电路，保证激光器发出光波长和功率不随环境的变化而变化，并且有效抑制环境光变化对测量的影响。其中半导体激光器2与激光器驱动电源1连接，激光器输出激光束经聚光透镜3会聚投射到发射光纤4输入端、由发射光纤4输出端投射到被测物体表面c，被测物体表面c的发射光经接收光纤5、6、7接收，传输到接收光纤5、6、7的另一端输出，凸透镜8、9、10分别将接收光纤5、6、7的输出光会聚到光电探测器11、12、13，光电探测器11、12、13分别与各自的光电信号处理单元的前置放大器14、15、16连接。前置放大器14、15、16分别与具有一定增益的有源带通滤波器17、18、19连接。

本发明的工作过程：

如图3、图4所示，本发明的半导体激光器2在激光器驱动电源1的驱动下发射出频率1.0 kHz光脉冲序列，经凸透镜3后，由发射光纤投射到被测位移表面，被测物体表面将光束反射到接收光纤5、6、7，分别经接收光纤5、6、7传输并经凸透镜8、9、10会聚到光电探测器11、12、13表面，每个光电探测单元，将接收到的光信号转换为电信号，各探测单元输出的光电信号经过各自的前置放大器14、15、16，有源带通滤波器17、18、19及有效值转换器20、21、22被转换为直流电压信号，其大小与各自探测单元接收到的光功率成正比，计算机处理单元24通过对同步采样器23获得三个光电探测器各路光信号的计算平均功率，根据获得功率信号，按式（1）得到图5所示三根双通道特性曲线，用RBF神经网络算法对此三根特性曲线进行数据融合，根据同时测得的三个光电信号值计算得到探头到被测表面间的距离。用神经网络法融合获得校准曲线如图7所示。

本发明的原理：

本发明设计的三通道光强反射式光纤位移传感器的结构如图2所示，4为发射光纤，5、6、7为接受光纤,它们的芯纤半径相等。l ₅、l ₆、l ₇分别为接收光纤5、6、7到发射光纤4的芯轴间的距离，且l ₇＞l ₆＞l ₅。发射光纤和接收光纤到反射面的距离均为d,即为待测位移。发射光纤输出的光束呈发散的圆锥状投射到被测面c上，并经被测面c反射，其中部分反射光分别被接收光纤5、6、7接收，每两个通道确定传感器的一个输出特性参量Φ，其定义为两根接收光纤收到的光强之比，以接收光纤6和7为例，它们的输出特性为：

                                      （1）

其中：I ₆、I ₇分别为接收光纤6和7收到的光强，接收光纤5、6、7参数及传感器探头几何参数确定之后，Φ仅与传感器探头端面到被测位移面间距离有关：

                

                           （2）

式中：A  _N为发射光纤4的数值孔径。传感器的最小工作距离d _min为：

                        

                               （3）

多通道光纤传感器输出参量与涉及到的两根接收光纤和发射光纤间的距离有关，由于接收光纤5距离发射光纤4最近，其最小工作距离靠近探头端面，接收到的光强最强。接收光纤6次之，接收光纤7距离较远，接收光强最弱。

应用实例一：

发明实例中，接收光纤5、6、7到发射光纤4间距l ₅、l ₆、l ₇分别为0.5mm，1.0mm，1.5mm，用分辨率为0.01mm千分尺对1.8-6.05mm位移量分别每隔0.05mm进行测量，获得三个传感器输出参量样本。获得三条传感器输出特性曲线，如图5所示。图5中，曲线1为接收光纤6和接收光纤5确定的输出特性曲线；曲线2为接收光纤7与接收光纤6确定的输出特性曲线；曲线3为接收光纤7与接收光纤5确定的输出特性曲线。每一条曲线都是一个双通道的光纤位移传感器输出特性，其对应的线性区域范围均约为2.0mm。

选择线性较好的位移段作为工作区域，选取三条曲线的位移段：曲线1为2.2-3.9 mm，曲线2为3.15-4.75 mm，曲线3为3.3-5.2 mm。从图中可以看出，选取三条曲线的位移段中曲线2的斜率最大，曲线1次之，曲线3最差，为了尽量扩大传感器的灵敏度，当工作位移段有多条曲线时选取斜率最大，反应最灵敏的曲线段作为传感器的工作区间，所以在2.2-3.15 mm位移段选取曲线1为样本数据，3.15-4.75 mm选取曲线2为样本，4.75-5.2 mm选取曲线3为样本。光纤传感器工作区间定为2.2-5.2 mm。

本发明利用RBF神经网络算法对以上三段数据进行融合处理，数据融合是通过算法对来自多个传感器或多源信息加以综合处理，产生更可靠、更准确的信息，根据多源观测信息给出一个关于状态的最优估计量。从而减少在信息处理中可能出现的误差，降低信息的不确定性。本发明采用三路传感光路感知待测量，通过信息融合的方法将三路测量结果进行综合处理来降低干扰；确保足够高的灵敏度下，拓宽传感器的测量范围。对系统进行数据采样并分析取得2.2-3.15 mm、3.15-4.75 mm、4.75-5.2 mm三个位移段的数据样本。

图6是一种RBF三层前向神经网络结构。第一层即输入层由信号源节点组成；第二层为隐含层，被隐含单元数视所描述的问题的需要而定，隐含单元的变换函数是高斯函数，即

  （i=1, 2,…, m）                   （4）

式中： 

为第i个隐含层节点的输出；

= (x ₁,x ₂,…,x _p)^T为输入样本向量；c _i 为第i个隐含层节点的高斯函数的中心且与x有相同的维数；σ _i 为第i个隐含层节点的变量，称标准化常数，或基宽度；m为隐含层节点的个数。它是对称中心径向对称且衰减的非线性函数；第三层为输出层，它对输入模式的作用做出响应，采用线性函数作为激活函数，输出层第i个神经元输出为

  （i=1, 2,…, m）                     (5)

式中w _ik 输出层神经网络权值，为偏差。

取三个位移段内的特性参量作为网络输入，相应光纤传感器的标定位移为网络期望输出，即网络的输入层和输出层节点数都为1。采用k-means算法对训练样本进行聚类，以划分的类别数作为隐含层节点数，以各类的中心为径向基函数的中心，各类的方差变换为宽度参数。初始化的网络权值、学习率和偏差，分别将三个位移段样本输入RBF算法中进行训练，结果如图7。横坐标表示实际位移d，纵坐标表示拟合后传感器的输出位移y。实际工作时只要把测得的光强值，通过采样输入计算机控制单元，按照式（1）、（4）、（5）得到相应位移值d。图7等同校准曲线，说明采用多通道数据融合技术，测试值可无限逼近真值。本发明同步获取的三个光电信号值确定一个位移d的值，使位移测试的不确定度大大降低。每两个采样通道构成一个双通道输出特性，既可以消除环境变化和光源变化的影响，又可以拓宽测量范围，与其他设计相比，长期可靠性高，且使用极为方便。

Claims (7)

1.一种光纤位移传感器，它包括光发射部分和光探测部分，光发射部分包括半导体激光器、驱动电源、聚光透镜和发射光纤；光探测部分包括依次连接的接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机处理单元，其特征是：所述接收单元设有三个独立通道，每个通道设有一根接收光纤、一个凸透镜和一个光电探测器，其中三根接收光纤和发射光纤固定在一个探头上，发射光纤输出端和三根接收光纤的接收端处于同一平面内，三根接收光纤接收端到发射光纤发射端的距离分别为l ₅ 、l ₆、l ₇，（其中l ₇＞l ₆＞l ₅）。

2.根据权利要求1所述光纤位移传感器，其特征是：所述光电信号处理单元对应三根接收光纤的输出端设有三路，每一路包括前置放大器、带通滤波电路和精密有效值转换电路。

3.根据权利要求2所述光纤位移传感器，其特征是：所述三根接收光纤接收端排列成一条直线状，或三根接收光纤接收端分别位于以发射光纤发射端为中心的l ₅ 、l ₆、l ₇为半径的圆周上。

4.根据权利要求1、2或3所述光纤位移传感器，其特征是：还包括一传感探头，发射光纤输出端和三根接收光纤的接收端安装在该传感探头上。

5.根据权利要求4所述光纤位移传感器，其特征是：所述发射光纤和三根接受光纤的芯纤半径相当。

6.根据权利要求4所述光纤位移传感器，其特征是：每一路的光电探测器设有保持其特性参数不随环境温度变化的半导体温度控制电路。

7.采用权利要求1所述光纤位移传感器进行多通道位移测量方法，该方法包括以下步骤：

（1）通过半导体激光器发射光脉冲序列，经会聚透镜会聚进入发射光纤，在发射光纤输出端投射到被测物体表面，并经被测物体表面反射回投射侧；

（2）三根接收光纤分别检测被反射的部分光束，各经一个凸透镜分别会聚到三个光电探测器表面；

（3）每个通道探测的信号分别由光电信号处理单元处理后，经数据采集单元送入计算机处理单元；

（4）计算机处理单元计算每个通道探测到的光功率，两两通道构建一个双通道光纤位移传感器，构建的三个双通道传感器，分别计算三个通道中每两个通道的信号值之比，用远离发射端的接收通道信号值除以靠近发射端的接收通道信号值（l ₅ 与l ₆相比，l ₆为远离发射端；l ₇与l ₅ 相比l ₇为远离发射端；l ₇与l ₆相比l ₇远离发射端），得到三根输出特性曲线；

（5） 对构建的三个双通道传感器输出数据进行融合处理,得到被测物体位移与三个双通道传感器输出参数的单值对应关系。

Images