CN114674414B - 一种基于微像素形心定位的低频振动传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微像素形心定位的低频振动传感器及其工作方法，属于传感器技术领域，解决了现有的低频传感器测量准确度低的问题。一种基于微像素形心定位的低频振动传感器，包括振动信号耦合组件、振动信号测量光路和振动系统减震组件；所述振动信号耦合组件包括单摆，振动信号耦合组件能够将振动传感器与地面耦合连接；所述振动系统减震组件与所述单摆连接，为单摆提供阻尼；所述振动信号测量光路包括光电传感器阵列，所述光电传感器阵列位于单摆上。本发明的振动传感器直接对单摆的位移进行测量，无需进行准确度标定，测量准确度高。

Description

一种基于微像素形心定位的低频振动传感器及其工作方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种基于微像素形心定位的低频振动传感器及其工作方法。

背景技术

低频振动是矿井、高层建筑、铁路公路桥梁、大坝等结构中常见的物理现象，也同时包含了结构的状态信息。低频振动传感器能够准确的反映工程或地质结构的状态，并为异常振动背后的问题进行预警，目前已经在建筑与结构的振动分析，路基与桥梁的动态变形与振动测试、安全保卫以及地震波探测等多个领域得到广泛应用。

常见低频振动传感器按照原理可以分为磁电型、电涡流型、压电型、电容型、电感型等。磁电型传感器不需外加电源，振荡信号不经任何处理能够进行数据传输，但是这种传感器的活动部件易损坏，低频呼应欠好，一般速度传感器在10Hz以下，会发生较大的振幅和相位差错。电涡流传感器输出信号与振荡位移成正比，标定简单，但是需外加电源，需要配前置放大器，装置复杂而且对安装环境要求比较严格。压电型传感器体积小、重量轻，但是作业频率太高，标定比较困难。而电容型或电感型传感器的性能容易受周围介质干扰，精度无法保证，目前已经很少使用。现有的各类振动传感器各有自身缺点，兼容的应用场合受限，特别是难以同时满足大量程且高精度的振动探测需求，并且振动传感器通常将加速度和速度转化为电信号，而不是直接测量位移，影响测量的准确度。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种基于微像素形心定位的低频振动传感器及其工作方法，用以解决现有的低频传感器测量准确度低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于微像素形心定位的低频振动传感器，包括振动信号耦合组件、振动信号测量光路和振动系统减震组件；所述振动信号耦合组件包括单摆，振动信号耦合组件能够将振动传感器与地面耦合连接；所述振动系统减震组件与所述单摆连接，为单摆提供阻尼；所述振动信号测量光路包括光电传感器阵列，所述光电传感器阵列位于单摆上。

进一步地，所述振动信号耦合组件还包括尾椎和壳体，所述尾椎通过尾椎安装架固定在所述壳体的下方。

进一步地，所述单摆设在所述壳体内且与所述壳体弹性连接。

进一步地，所述单摆通过悬垂线悬吊在所述壳体内。

进一步地，所述振动信号测量光路还包括白光光源和凹面反射镜，所述白光光源固定在所述壳体的内壁上，所述凹面反射镜固定在所述壳体的顶部法兰上。

进一步地，还包括光纤，所述白光光源发出的光从所述光纤经光纤输出端口出射，经过所述凹面反射镜的反射，入射到所述光电传感器阵列上。

进一步地，所述振动系统减震组件包括摆动椎体，所述摆动椎体位于单摆下方且和单摆固定连接。

进一步地，所述振动系统减震组件还包括阻尼液池，所述摆动椎体浸入所述阻尼液池中。

进一步地，所述阻尼液池设有外螺纹，所述壳体的底板设有带有内螺纹的通孔，所述阻尼液池安装在通孔内且与底板的内螺纹配合。

一种上述技术方案所述的基于微像素形心定位的低振动传感器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：尾椎埋入地下与待测结构紧密耦合；

步骤2：地面振动波引起振动传感器内部单摆振动；

步骤3：固定在单摆上的光电传感器阵列与壳体发生相对位移；

步骤4：光电传感器阵列上光斑发生相对位移；

步骤5：通过多次迭代高斯拟合算法，对光斑位置进行拟合，得到光斑的二维位置信号，记录位置信号随时间的变化曲线得到振动传感器周围环境的振动信号。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的振动传感器直接对单摆的位移进行测量，无需进行准确度标定，测量准确度高。

(2)本发明振动传感器采用了白光耦合到5um芯径的超细光纤作为点光源，透射到光电传感器阵列上的光斑接近高斯分布，再结合多次二项式迭代高斯拟合算法，能够将定位精度提高到10e-4像素，换算为位移为2nm。传感器量程仅受传感器阵列的尺寸影响，采用的光电传感器阵列，量程能够达厘米级，因此实现了厘米级大量程和纳米高精度兼备的振动传感。

(3)本发明采用8根悬垂线将单摆挂起，悬垂线的设置一方面对位于单摆上的光电传感器阵列水平方向进行了有效隔振，另一方面多根悬垂线轴对称布局避免了光电传感器阵列的轴向扭转，减少了因轴向扭转导致的误差，保证了振动传感器在水平方向的振动信号响应的线性度。

(4)本发明的壳体采用圆对称设计，同时可以测量水平面内两个正交方向的振动信号。避免传统多轴振动传感器因制造误差，对外界不同方向的振动信号响应不同而出现灵敏度不对称的问题。

(5)本发明的阻尼液池设有外螺纹，底板设有带有内螺纹的通孔，阻尼液池安装在通孔内且与底板的内螺纹配合，通过旋转阻尼液池，从而上下调节阻尼液池的位置，进而调节摆动锥体浸入阻尼液的深度，能够方便的将振动传感器调节到最佳阻尼比，保证传感器的线性度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的振动传感器的外部结构示意图；

图2为本发明实施例的振动传感器的内部结构示意图；

图3为本发明实施例的光斑获取光路示意图。

附图标记：

1-尾椎，2-尾椎安装架，3-阻尼液池，4-光电传感器底座，5-壳体，6-悬垂线，7-遮光罩，8-摆动锥体，9-光纤，10-光纤支架，11-顶部法兰，12-凹面反射镜，13-光纤输出端口，14-光电传感器阵列，15-底板，16-光纤固定法兰。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

实施例1

本发明的一个实施例，如图1至图3所示，公开了一种基于微像素形心定位的低频振动传感器(以下简称“振动传感器”)，包括振动信号耦合组件、振动信号测量光路和振动系统减震组件。其中，振动信号耦合组件包括单摆，振动信号耦合组件能够将振动传感器与地面耦合连接，将地面振动信号传导至振动传感器内部引起单摆的摆动；振动系统减震组件与单摆连接，为单摆提供阻尼，通过调整阻尼大小，保证单摆的摆动与地面振动信号的一致性，进而保证传感器的线性度；振动信号测量光路包括光电传感器阵列14，光电传感器阵列14位于单摆上，单摆的摆动能够引起光斑在光电传感器阵列14上的位置同步移动，从而能够通过振动信号提取算法，提取光斑的二维位置信号，得到振动传感器周围环境的振动信号。

本实施例的振动传感器直接对单摆的位移进行测量，无需进行准确度标定，测量准确度高。

具体地，振动信号耦合组件还包括尾椎1与壳体5，尾椎1通过尾椎安装架2固定在壳体5下方，尾椎1用于与地表的耦合，接收来自于地面的振动信号。尾椎1与尾椎安装架2固定连接，尾椎安装架2与壳体5固定连接，从而使得尾椎1接收的振动信号能够传递给壳体5。

进一步地，尾椎1设有外螺纹，保证了尾椎1埋入地下之后与地面的耦合紧密度。

优选地，尾椎安装架2与尾椎1可拆卸连接(如，螺纹连接)，保证了本实施例的振动传感器拆装和移动的便捷性。

本实施例中，壳体5为封闭的圆筒形结构，包括筒壁、底板15和顶部法兰11。筒壁的中心对称结构使得振动传感器能够同时测量水平面内两个正交方向的振动信号，避免传统多轴振动传感器因制造误差，对外界不同方向的振动信号响应不同而出现灵敏度不对称的问题。同时，壳体5能够遮蔽外界环境光和电磁信号对内部光电传感器阵列14的干扰，提高了振动传感器的环境兼容性。

进一步地，单摆设在壳体5内且与壳体5弹性连接，当壳体5感受到外界的水平方向的振动后，单摆能够与壳体5发生相对运动。

本实施例中，单摆通过多根悬垂线6悬吊在壳体5内，多根悬垂线6以壳体5的轴为圆心中心对称布置。悬垂线6的设置一方面对位于单摆上的光电传感器阵列14水平方向进行了有效隔振，另一方面多根悬垂线6轴对称布局避免了光电传感器阵列14的轴向扭转，减少了因轴向扭转导致的误差，保证了振动传感器在水平方向的振动信号响应的线性度。

本实施例中，悬垂线6的一端固定在顶部法兰11上，另一端连接单摆。

优选地，悬垂线6设有8根。

进一步地，振动信号测量光路还包括白光光源和凹面反射镜12。光电传感器阵列14通过光电传感器底座4安装在单摆上，白光光源固定在筒壁的内壁上，凹面反射镜12固定在顶部法兰11上。

如图2所示，白光光源发出的光从光纤9经光纤输出端口13出射，经过凹面反射镜12的反射，入射到光电传感器阵列14上，得到高斯光斑。

本实施例中，光纤9通过光纤固定法兰16固定在光纤支架10上，光纤支架10与筒壁固定连接。

优选地，为了使得到达光电传感器阵列14的光斑接近高斯分布，光纤9采用5um芯径的超细光纤，使得白光光源经过光纤9后能够得到点光源。凹面反射镜12的直径为10mm，焦距为200mm。

本实施例中，光电传感器阵列14采用厘米级的经过标较的光电传感器阵列，定位精度不受光斑在光电振动传感器阵列的像素位置影响，因此保证了传感器的纳米级高精度(像素尺寸20um，定位精度为10e-4像素，换算为位移后，位移定位分辨率为2nm)和厘米级大量程(光电传感器阵列尺寸为0.6cm*0.5cm)。

进一步地，振动系统减震组件包括摆动椎体8和阻尼液池3。摆动锥体8位于单摆下方且和单摆固定连接。摆动锥体8浸入阻尼液池3中，阻尼液池3中盛有阻尼液，阻尼液池3安装在底板15上。

本实施例中，当振动信号传来时，单摆发生摆动，固定于单摆底部的摆动椎体8也随之摆动，由于摆动椎体8插在阻尼液中，依靠阻尼的粘滞阻力能够使振动信号快速衰减，达到精确区分连续振动信号的目的。

进一步地，为了便于调节摆动锥体8插入阻尼液中的深度，阻尼液池3设有外螺纹，底板15设有带有内螺纹的通孔，阻尼液池3安装在通孔内且与底板15的内螺纹配合。通过旋转阻尼液池3，从而上下调节阻尼液池3的位置，进而调节摆动锥体8浸入阻尼液的深度，从而调节单摆所受的阻尼的大小。

本实施例中，通过旋转阻尼液池3，能够方便的将振动传感器内部阻尼调节到最佳阻尼比，保证传感器的线性度。

进一步地，为了保护顶部法兰11上的设备，同时，提高壳体5的遮光性，避免外接环境光和电磁信号对光电传感器阵列14的干扰，顶部法兰11上设有遮光罩7。

优选地，遮光罩7与顶部法兰11可拆卸连接。

本实施例中，当振动传感器接收到振动时，单摆的摆动能够引起振动信号测量光路发出的光斑在光电传感器阵列14上的位置移动。对于光电传感器阵列14采集到的光斑，通过高阶高斯拟合算法对光斑位置进行拟合，得到光斑的二维位置信号，记录位置信号随时间的变化曲线从而得到振动传感器周围环境的振动信号。

进一步地，振动信号处理算法为基于最小二乘法的二维高斯拟合算法，通过该算法对目标光斑连续两帧图像中的光斑进行高斯迭代拟合，当拟合精度达到微像素要求时，得到两个光斑形心的位置，位置差为相对位移量。

具体地，二维高斯拟合算法的具体过程是定义高斯光斑的四个参量，利用这四个参量建立描述光强分布的目标函数为：

其中，I为光强分布函数，x，y是空间坐标，A1是中心强度、A2和A3是光斑的形心坐标为，A4是光斑束腰大小。

随后，把四个随机参量A1，A2，A3和A4作为输入量，利用上式生成高斯分布的矩阵，矩阵尺寸与光电传感器阵列14的像素数量一致。求解目标函数和实测的光强样本数据I₀方差S

S＝(I₀-I(A1，A2，A3，A4))²

本实施例中，利用标准的信赖域反射算法不断迭代A1，A2，A3和A4四个参数拟合样本数据获得最小方差，该算法能够高效地处理大型稀疏问题和小型密集问题，并且做二维曲面拟合时可以节省内存和运算量，满足振动信号实时性输出要求。当拟合的方差S小于阈值时停止迭代，得到最优拟合参数A1，A2，A3，A4。其中，A2，A3作为光斑的形心坐标输出，并在时间轴上绘制曲线，从而得到两条水平面内正交方向的振动信号曲线，从而获得振动信号。

本实施例的振动传感器采用了白光耦合到5um芯径的超细光纤作为点光源，透射到光电传感器阵列上的光斑接近高斯分布，再结合多次二项式迭代高斯拟合算法，能够将定位精度提高到10e-4像素，换算为位移为2nm。传感器量程仅受传感器阵列的尺寸影响，采用的光电传感器阵列，量程能够达厘米级，因此实现了厘米级大量程和纳米高精度兼备的振动传感；本实施例利用振动信号测量光路将高斯光斑透射到光电传感器阵列上，并利用高斯拟合的方法对光斑的像素位置进行直接定位，不需要对传感器测得信号的振幅和相位进行二次标定，因此不会出现传感器长时间使用或者收到剧烈冲击后，需要再次标定保证精度的问题。

实施例2

本发明的一个实施例，公开了实施例1的基于微像素形心定位的低频振动传感器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：尾椎1埋入地下与待测结构紧密耦合。

本实施例中，尾椎1采用螺纹结构保证了掩埋后的耦合紧密度。振动传感器通过尾椎安装架2与尾椎1连接，尾椎安装架2与尾椎1为分体设计，保证振动传感器拆装和移动的便捷性。

步骤2：地面振动波引起振动传感器内部单摆振动。

单摆尾端安装有摆动锥体8，摆动锥体8浸入存有阻尼液体的阻尼液池3中。阻尼液池3为圆柱形且外壁有螺纹结构，通过底板15的内螺纹孔与底板15连接，旋转阻尼液池3能够调节阻尼液池3在底板15上的高度，进而调节摆动锥体8的浸没深度并改变阻尼大小。

步骤3：固定在单摆上的光电传感器阵列14与壳体5发生相对位移。

壳体5与尾椎1固定连接，因此，壳体5环境振动保持一致，单摆由于惯性和阻尼液作用下位移较小，从而与壳体5发生相对位移。

步骤4：光电传感器阵列14上光斑发生相对位移。

由于白光光源和凹面反射镜12与壳体5固定在一起，单摆晃动引起投射到光电传感器阵列14的光斑发生相对壳体5的位移，光斑在像素上的位置发生反向移动。

步骤5：通过多次迭代高斯拟合算法，对光斑位置进行拟合，得到光斑的二维位置信号，记录位置信号随时间的变化曲线从而得到振动传感器周围环境的振动信号。

本实施例中，采用最小二乘拟合算法，保证了拟合精度和拟合速度，满足实时振动感知需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微像素形心定位的低频振动传感器，其特征在于，包括振动信号耦合组件、振动信号测量光路和振动系统减震组件；

所述振动信号耦合组件包括单摆，振动信号耦合组件能够将振动传感器与地面耦合连接；所述振动系统减震组件与所述单摆连接，为单摆提供阻尼；所述振动信号测量光路包括光电传感器阵列(14)，所述光电传感器阵列(14)位于单摆上；

所述振动信号耦合组件还包括尾椎(1)和壳体(5)，所述尾椎(1)通过尾椎安装架(2)固定在所述壳体(5)的下方；

所述振动信号测量光路还包括白光光源和凹面反射镜(12)，所述白光光源固定在所述壳体(5)的内壁上，所述凹面反射镜(12)固定在所述壳体(5)的顶部法兰(11)上；还包括光纤(9)，所述白光光源发出的光从所述光纤(9)经光纤输出端口(13)出射，经过所述凹面反射镜(12)的反射，入射到所述光电传感器阵列(14)上，得到高斯光斑；当振动传感器接收到振动时，单摆的摆动引起振动信号测量光路发出的光斑在光电传感器阵列(14)上的位置移动；通过基于最小二乘法的二维高斯拟合算法对目标光斑连续两帧图像中的光斑进行高斯迭代拟合，当拟合精度达到微像素要求时，得到两个光斑形心的位置，位置差为相对位移量；

其中，描述光强分布的目标函数为：

式中，I为光强分布函数，x，y是空间坐标，A1是中心强度、A2和A3是光斑的形心坐标，A4是光斑束腰大小；

目标函数和实测的光强样本数据I₀方差S＝(I₀-I(A1，A2，A3，A4))²

利用标准的信赖域反射算法不断迭代A1，A2，A3和A4四个参数拟合样本数据获得最小方差；当拟合的方差S小于阈值时停止迭代，得到最优拟合参数A1，A2，A3，A4；其中，A2，A3作为光斑的形心坐标输出。

2.根据权利要求1所述的基于微像素形心定位的低频振动传感器，其特征在于，所述单摆设在所述壳体(5)内且与所述壳体(5)弹性连接。

3.根据权利要求1所述的基于微像素形心定位的低频振动传感器，其特征在于，所述单摆通过悬垂线(6)悬吊在所述壳体(5)内。

4.根据权利要求2或3所述的基于微像素形心定位的低频振动传感器，其特征在于，所述振动系统减震组件包括摆动椎体(8)，所述摆动椎体(8)位于单摆下方且和单摆固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于微像素形心定位的低频振动传感器，其特征在于，所述振动系统减震组件还包括阻尼液池(3)，所述摆动椎体(8)浸入所述阻尼液池(3)中。

6.根据权利要求5所述的基于微像素形心定位的低频振动传感器，其特征在于，所述阻尼液池(3)设有外螺纹，所述壳体(5)的底板(15)设有带有内螺纹的通孔，所述阻尼液池(3)安装在通孔内且与底板(15)的内螺纹配合。

7.一种权利要求1-6任一项所述的基于微像素形心定位的低频振动传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：尾椎(1)埋入地下与待测结构紧密耦合；

步骤2：地面振动波引起振动传感器内部单摆振动；

步骤3：固定在单摆上的光电传感器阵列(14)与壳体(5)发生相对位移；

步骤4：光电传感器阵列(14)上光斑发生相对位移；

步骤5：通过多次迭代高斯拟合算法，对光斑位置进行拟合，得到光斑的二维位置信号，记录位置信号随时间的变化曲线得到振动传感器周围环境的振动信号。

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