CN109596070A - 一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置及方法，装置包括有一种强度调制式反射光纤倾角标示传感器，以及一种可滑动反射镜筒装置。该校准装置利用反射式光纤束传感器的输出特性进行倾斜方向检测。将反射镜筒放置固定于待测物体表面上，移动反射镜面至光纤束传感器可检测到光信号的高度，通过探头光纤束光源光纤发射出的光斑经由反射镜面调制后得到的光信号大小，便能分辨出待测物体表面和原传感器安装平面之前是否相对平行，以及倾角偏移方向等特征。为需要传感器端面与待测物体表面严格平行的非接触测量传感器提供了一种有效的安装校准工具，具有较高的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学校准技术领域，特别涉及一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置及方法。
背景技术
当前传感技术发展已较为成熟，尽管如此，在越来越多的检测需求情境中，例如航空航天飞机发动机、各种能源热力机械结构中，待测物各种高温高压以及高速转动的恶劣环境对非接触测量手段提出了一定的需求。而目前常见的许多非接触测量手段中，有很大一部分为面对面的非接触式测量，比如电容式电场传感器，需要将传感器端面的电容片正对待测物体平面进行测量；又如光纤式位移传感器，需要将光纤传感端面正对待测物体表面以测得端面到待测物体表面的距离信息。而在上述非接触传感器应用中，传感器安装平面与待测物体表面是否为严格平行状态直接决定了非接触测量传感器的测量精度。由于非接触传感器安装的特点，很难通过肉眼和手工调节的方式使传感器端面与待测物表面严格平行，而传感器端面和待测物表面的相对斜角在后续检测中会为检测结果引入误差。针对于一些待测物表面并不与地面水平的特点，也无法用常见的水平仪对传感器安装端面进行校准。
因此，需要寻求一种能够指示传感端面与待测物体表面间相对倾角的传感器，以此用来校准传感器安装端面。
发明内容
针对现有校准平行技术的不足，本发明旨在通过一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置及方法。本发明旨在通过一种便捷的光学传感器实现非接触面式传感器端面与待测物表面的相对倾角测量，进而帮助对与待测面相对不平行的安装面进行调整，以期提高非接触面式传感器的测量精度。
本发明采用了以下技术方案达到上述发明目的：
一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，包括一反射式光纤束倾角标示传感器和一内置反射镜面的反射镜筒；
所述的反射式光纤束倾角标示传感器包括一支光源光纤和多支接收光纤，多支接收光纤呈圆周式分布在光源光纤外围，用于接收光源光纤发射出的光斑照射到反射镜面后，又反射回接收光纤端面的光信号；
所述的反射镜筒为反射式光纤束倾角标示传感器提供反射面媒介，反射镜面活动设置在反射镜筒内，且反射镜面能够平行于反射镜筒底面的待测物表面滑动。
所述的反射镜筒为圆柱形筒，反射镜筒内有滑动轨道和调节导轨；所述的反射镜面设置有滑动卡扣和滑动轨道嵌口；滑动轨道嵌口与滑动轨道配合连接，滑动卡扣与调节导轨连接。
所述的调节导轨的旁边标注有刻度。
所述的反射式光纤束倾角标示传感器置于封装壳内，光源光纤和接收光纤组成光纤束的端面置于探头封装壳一侧用来发射和接收光信号，光源光纤和接收光纤的另一端均穿出封装壳另一侧。
所述的反射式光纤束倾角标示传感器的端面设置有透光板，透光板上多支接收光纤中点对应位置上刻有角度指示标，用以区分接收光纤的倾角方向。
所述的反射镜筒半径为大于透光板的半径。
其特征在于：还包括光源、驱动电路、光电信号调理电路和上位机，光电信号调理电路包括光电转换模块和滤波放大模块；
所述的光源光纤接至后端的光源；接收光纤捆绑组成的测向光纤束接至后端的光电信号调理电路；光电信号调理电路中的光电转换模块进行光电转换与滤波放大模块进连接，滤波放大模块与上位机进连接。
一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置的校准方法，包括以下步骤：
所述的反射式光纤束倾角标示传感器由驱动电路输出驱动电压至光源，光源发出光信号至光源光纤，并由光源光纤发射出光斑至反射镜面，反射回的路光信号由接收光纤接收，送至光电调理电路中的光电转换模块进行光电转换，并由滤波放大模块进行滤波放大，后传送至上位机进行分析。
还包括反射式光纤束倾角标示传感器位置调节步骤：
若多支接收光纤的信号通道的光电转换电压相同，则端面与待测物体表面严格平行，若非，则由采集的强度调制式反射光纤束输出特性，检测多支接收光纤的信号中最小信号方向，则为原传感器安装端面偏离待测物表面最大的方向，则该方向安装表面朝向待测物表面位置下移。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明包括有一种强度调制式反射光纤倾角标示传感器，以及一种可滑动反射镜筒装置。该校准装置利用反射式光纤束传感器的输出特性进行倾斜方向检测。将反射镜筒放置固定于待测物体表面上，移动反射镜面至光纤束传感器可检测到光信号的高度，通过探头光纤束光源光纤发射出的光斑经由反射镜面调制后得到的光信号大小，便能分辨出待测物体表面和原传感器安装平面之前是否相对平行，以及倾角偏移方向等特征。为需要传感器端面与待测物体表面严格平行的非接触测量传感器提供了一种有效的安装校准工具，具有较高的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明的反射式光纤束倾角标示传感器探头；
图2为本发明的反射式光纤式倾角标示传感器光纤束端面；
图3为本发明的内置可滑动反射镜面的反射镜筒；
图4为本发明的反射镜面俯视图；
图5为本发明的检测装置流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施情况做进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1至图5所示，本发明一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，包括一个反射式光纤束倾角标示传感器1和一个内置可滑动反射面的反射镜筒2。
其中的反射式光纤束倾角标示传感器1由1支光源光纤15和6支接收光纤16组成，其中6支接收光纤16制造参数完全一致。光源光纤15的光源由电源供电驱动的光源部件提供，6支接收光纤16呈圆周式分布在光源光纤15外围，用来接收光源光纤15发射出的光斑照射到反射镜面后，又反射回6支接收光纤16端面11的光信号。而传感器端面11和待测物表面的相对倾角信息将通过反射回的6路接收光信号大小体现出来，进而可通过对6路光信号的比较处理，来区分相对倾角分布规律特点。
由反射式光纤传感器原理可知，当光纤束端面11与反射平面平行时，6支接收光纤16接收到的光强信号应完全一致，否则，将根据6支接收光纤16的不同位置而出现强度不一致的光强信号。我们将通过后端调理电路得到的6路光强信号的不一致特点来对传感器端面11与待测物体表面倾角方向与大小进行判别。
反射反射镜筒2为圆柱形筒，内有对称的两条滑动轨道22，主要用于固定发射面镜面与筒壁的相对垂直，并使反射镜面21能根据光纤束传感器的量程范围进行上下滑动调节，保证对于传感器端面11和待测物表面有任意间距下都能接收到可采集的光强信号。除了滑动轨道22外，反射镜面外侧还留有滑动卡扣24，嵌于调节导轨23上，方便使用者根据待测物体和传感器安装位置间隔大小来手动调节反射面，以获得可采集的光强信号。反射反射镜筒2的设计主要是为光纤角度标示传感器提供理想的反射面媒介，以获得准确的方向甄别信号。
参见图1为本发明的反射式光纤束倾角标示传感器探头，由1支光源光纤15和6支接收光纤16组成的光纤束是本发明的传感部件，光纤束固定于图1的反射式光纤束倾角标示传感器探头封装壳12内，光源光纤15和接收光纤16组成的光纤束端面11置于探头封装壳12一侧用来发射和接收光信号，而探头封装壳12另一侧引出两组光纤，其中一根光纤为光源光纤15，接至后端光源部件；另一组为6支接收光纤16捆绑组成的测向光纤束，接至后端的光电信号调理电路。
为了方便辨认并调整传感器安装角度，也为了能够使光纤束传感器固定于待检测的原传感器安装平面，本发明在反射式光纤束倾角标示传感器探头光纤探头前固定有一个玻璃/树脂材料制成的透光性极佳的透光板13，该透光板13直径为a。在透光板13上6支光纤中点对应位置上蚀刻有角度指示标14，刻度x1,x2,x3,x4,x5,x6用以区分倾角方向。
参见图2为本发明的反射式光纤束倾角标示传感器探头光纤束端面11，其中光源光纤15置于光纤束中心位置，而6支接收光纤16以圆周形紧密分布于光源光纤15周围，光纤编号严格对应于角度方向指示标x1,x2,x3,x4,x5,x6。当传感器开始工作时，光源光纤15发射出光照向反射面，反射回的光斑覆盖在光纤束的6支接收光纤16上，则反射光强已调制有反射镜面的倾斜信息，之后6支接收光纤16将各自接收到的光强信号送出到后端光电调理电路中，并通过滤波放大显示出6路信号特征以供检测人员分析。
参见图3为本发明的内置可滑动反射镜面的反射镜筒2，主要是为了反射式光纤束倾角标示传感器提供反射面媒介，因为光纤束的接收光强可检测高度是有一定范围的，超出范围后的光强信号就无法检测到了，因此需要人工设置一个与待测物体表面平行的反射面；除此之外，许多非接触测量面具有粗糙度等特征，并不利于反射式光纤束传感器的精密工作，因此反射反射镜筒2的辅助是必要的。图3所示的反射反射镜筒2为空心的圆柱筒，圆柱筒的半径为大于探头透光片半径a的某数值，其上下截面严格平行，下截面放置固定好于待测物体表面上，因此反射镜筒2内的反射镜面具有和待测物体表面一致的倾斜信息。该反射反射镜筒2需放置于反射式光纤束倾角标示传感器下方，以光纤束倾角标示传感器能接收到反射光信号为准。该反射反射镜筒2中内置有一个可滑动反射镜面21(如图4)，其与圆柱筒壁严格垂直于，圆柱筒壁内有两条平行对称的凸起滑动轨道22，用来嵌入反射镜面21的滑动轨道嵌口25。使反射镜面21可上下平行于圆柱底面的自由滑动。反射镜面另两侧装有滑动卡扣24，伸出筒壁后卡在调节导轨23上，反射镜筒2两侧对称凿出了两道平行的调节导轨23并在旁边标注有刻度，使用者只需移动反射镜面卡扣24即可将反射镜面上下移动。
参见图5为本发明的检测装置框图。包括光源4、驱动电路5、光电信号调理电路7和上位机6，光电信号调理电路7包括光电转换模块8和滤波放大模块9；
光源光纤15接至后端的光源4；接收光纤16捆绑组成的测向光纤束接至后端的光电信号调理电路7；光电信号调理电路7中的光电转换模块8进行光电转换与滤波放大模块9进连接，滤波放大模块9与上位机6进连接。
本发明还提供了一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置的校准方法，包括以下步骤：
利用光纤反射式光纤束倾角标示传感器探头1的透光板13将探头固定于原传感器安装面上，传感器开始工作，由驱动电路5输出驱动电压至光源4，光源4发出光信号至光源光纤15，并由光源光纤15发射出光斑至反射镜面21，反射回的6路光信号由接收光纤16接收，送至光电调理电路7中的光电转换模块8进行光电转换，并由滤波放大模块9进行滤波放大，后传送至上位机6进行分析。
若x1,x2,x3,x4,x5,x6信号通道的光电转换电压相同，则原传感安装端面11与待测物体3表面严格平行，若非，则由强度调制式反射光纤束输出特性，检测x1,x2,x3,x4,x5,x6路信号中最小信号方向，则为原传感器安装端面11偏离待测物表面最大的方向，只需将该方向安装表面朝向待测物表面位置下移即可。
本发明提高非接触测量传感器的测量精度，为航空航天领域等对非接触测量要求较多的应用场合提供一种有效的校正手段，使检测结果更加可靠。若投放生产应用后将大大提高已有非接触测量的安装校准精度，此外由于整个校准装置成本低廉，能够产生很大的经济增长效益。
为所有非接触测量传感器提供了一种简便有效的平行校准手段；使恶劣环境下的非接触检测装置测量结果更有可信度；此外也为非接触测量技术的研究提供了有效的校准和验证手段。应用范围为：所有恶劣工况下非接触面式传感器的检测平面校准；航空、航天、船舶发动机压气机和涡轮非接触测量平行校准；能源动力装备中涡轮机、压缩机的非接触测量平行校准；能源动力装备中涡轮机、压缩机的健康监控与设计优化。
以上所述，仅是对本发明的举例说明。本发明所属的技术领域的技术人员可以对所描述的举例做各种修改或补充，只要不脱离本发明的精神本质，就属于本发明的权利要求书所限定的范围。
尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (9)
1.一种通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：包括一反射式光纤束倾角标示传感器(1)和一内置反射镜面(21)的反射镜筒(2)；
所述的反射式光纤束倾角标示传感器(1)包括一支光源光纤(15)和多支接收光纤(16)，多支接收光纤(16)呈圆周式分布在光源光纤(15)外围，用于接收光源光纤(15)发射出的光斑照射到反射镜面后，又反射回接收光纤(16)端面的光信号；
所述的反射镜筒(2)为反射式光纤束倾角标示传感器(1)提供反射面媒介，反射镜面(21)活动设置在反射镜筒(2)内，且反射镜面(21)能够平行于反射镜筒(2)底面的待测物表面(3)滑动。
2.根据权利要求1所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：所述的反射镜筒(2)为圆柱形筒，反射镜筒(2)内有滑动轨道(22)和调节导轨(23)；所述的反射镜面(21)设置有滑动卡扣(24)和滑动轨道嵌口(25)；滑动轨道嵌口(25)与滑动轨道(22)配合连接，滑动卡扣(24)与调节导轨(23)连接。
3.根据权利要求2所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：所述的调节导轨(23)的旁边标注有刻度。
4.根据权利要求1所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：所述的反射式光纤束倾角标示传感器(1)置于封装壳(12)内，光源光纤(15)和接收光纤(16)组成光纤束的端面(11)置于探头封装壳(12)一侧用来发射和接收光信号，光源光纤(15)和接收光纤(16)的另一端均穿出封装壳(12)另一侧。
5.根据权利要求4所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：所述的反射式光纤束倾角标示传感器(1)的端面(11)设置有透光板(13)，透光板(13)上多支接收光纤(16)中点对应位置上刻有角度指示标(14)，用以区分接收光纤(16)的倾角方向。
6.根据权利要求5所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：所述的反射镜筒(2)半径为大于透光板(13)的半径。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置，其特征在于：还包括光源(4)、驱动电路(5)、光电信号调理电路(7)和上位机(6)，光电信号调理电路(7)包括光电转换模块(8)和滤波放大模块(9)；
所述的光源光纤(15)接至后端的光源(4)；接收光纤(16)捆绑组成的测向光纤束接至后端的光电信号调理电路(7)；光电信号调理电路(7)中的光电转换模块(8)进行光电转换与滤波放大模块(9)进连接，滤波放大模块(9)与上位机(6)进连接。
8.权利要求7所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述的反射式光纤束倾角标示传感器(1)由驱动电路(5)输出驱动电压至光源(4)，光源(4)发出光信号至光源光纤(15)，并由光源光纤(15)发射出光斑至反射镜面(21)，反射回的(6)路光信号由接收光纤(16)接收，送至光电调理电路(7)中的光电转换模块(8)进行光电转换，并由滤波放大模块(9)进行滤波放大，后传送至上位机(6)进行分析。
9.根据权利要求8所述的通用面式非接触传感器的光学平行校准装置的校准方法，其特征在于，还包括反射式光纤束倾角标示传感器(1)位置调节步骤：
若多支接收光纤(16)的信号通道的光电转换电压相同，则端面(11)与待测物体(3)表面严格平行，若非，则由采集的强度调制式反射光纤束输出特性，检测多支接收光纤(16)的信号中最小信号方向，则为原传感器安装端面(11)偏离待测物表面最大的方向，则该方向安装表面朝向待测物表面(3)位置下移。
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