CN114812888A - 一种基于光纤的压力测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤的压力测量系统及方法，包括光源，恒流驱动器，光纤传感器，光纤环，光电二极管，信号采集放大器，滤波器，模数转换器，处理器；光源，恒流驱动器，光纤传感器，光电二极管，信号采集放大器，滤波器，模数转换器，处理器，光纤环为光纤传感器卷绕的环。步骤S1：光源发射照明光通过光纤传感器传输至光电二极管；步骤S2：对光纤环施加压力，施加压力后的照明光通过光电二极管转换成电流信号；步骤S3：信号采集放大器将采集到的电流信号转换成电压信号并放大；步骤S4：滤波后的电压信号通过模数转换器进行模数转换输出当前电压值，确定当前压力值。本发明装配简单，机械性能好，适用于柔性触觉和可穿戴传感器等应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于光纤的压力测量系统及方法。
背景技术
随着人工智能和信息化数字化技术的发展，社会对高性能高可靠性压力传感器的需求日益提升。光纤压力传感器与传统以电学原理为基础的压力传感器相比，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、电气安全等优点，得到研究和发展。光纤压力传感器利用光纤本身的特性将被测物理量转换为光信号的强度、相位和波长等变化量。目前光纤压力传感器一般基于法布里-珀罗干涉原理或基于光透射和反射强度原理，他们或者工艺和装配复杂，加工成本高，或者需要额外的压力或反射膜片，体积略大，另外他们多使用石英光纤，机械性能较差，在柔性触觉和可穿戴传感器等应用场景有一定的应用局限。
为此，我们提出了一种基于光纤的压力测量系统及方法以此解决上述技术问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种基于光纤的压力测量系统及方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于光纤的压力测量系统，包括：
沿光路方向依次连接的恒流驱动器、光源、光纤传感器、光电二极管、信号采集放大电路、滤波器、模数转换器、处理器，所述光纤传感器中部卷绕形成光纤环；其中：
光源：用于发射照明光；
恒流驱动器：用于保证所述照明光的光强不变；
光纤传感器：用于传输所述照明光；
光纤环：用于调整所述光纤传感器中所述照明光的光透过率；
光电二极管：用于将所述光纤传感器输出端输出的所述照明光的光信号转换成电流信号；
信号采集放大电路：用于将所述电流信号转换成电压信号并放大；
滤波器：用于将放大的所述电压信号进行滤波；
模数转换器：用于将滤波后的所述电压信号进行模数转换输出电压值；
处理器：用于根据所述电压值以及提前标定的所述光纤传感器的特性曲线，确定当前压力值。
进一步地，所述光纤传感器数量为一根时，所述光源数量为一个，所述光纤传感器卷绕形成光纤环后与所述光电二极管连接，所述光电二极管连接所述信号采集放大电路。
进一步地，所述光纤传感器数量为两根时，所述光源数量为一个，两根所述光纤传感器上的光纤环的轴互相垂直，且各连接一个所述光电二极管，两个所述光电二极管均连接同一个信号采集放大电路。
进一步地，所述光纤传感器数量为两根以上，所述光纤传感器组成传感器矩阵，且每一根所述光纤传感器绕卷一个光纤环，每一根所述光纤传感器对应一个所述光源和一个所述光电二极管，每个所述光电二极管均连接对应的信号采集放大电路。
进一步地，所述光源为红外LED光源。
进一步地，所述光纤传感器采用聚合物材料，并将所述光纤环固化在柔性材料中。
进一步地，所述柔性材料采用硅胶。
本发明还提供一种基于光纤的压力测量系统，其压力测量步骤如下：
步骤S1：光源发射照明光通过光纤传感器传输至光电二极管，同时恒流驱动器保证所述照明光的光强不变；
步骤S2：在所述光纤传感器上绕光纤环，并对所述光纤环施加压力，施加压力后的所述照明光通过光电二极管，将所述照明光的光信号转换成电流信号；
步骤S3：信号采集放大电路将采集到的电流信号转换成电压信号并放大；
步骤S4：放大后的所述电压信号通过滤波器进行滤波后，进行滤波后的电压信号通过模数转换器进行模数转换输出电压值，处理器根据提前标定的所述光纤传感器的特性曲线和当前电压值，确定当前压力值。
进一步地，所述步骤S4中提前标定的所述光纤传感器的特性曲线步骤如下：通过在所述光纤环施加不同大小的力，处理器分别读取对应力的模数转换器转换的电压值，确定光纤传感器的力-电压特性关系，通过拟合，确定光纤传感器的特性曲线。
进一步地，所述步骤S4的具体过程如下：
步骤S41：没有压力施加在光纤环上时，读取若干次模数转换器电压值，并计算电压平均值；
步骤S42：通过电压平均值对参数赋值形成特性曲线；
步骤S43：延时若干秒后对所述光纤环施加不同大小的力，处理器分别读取对应力的模数转换器转换的电压值，计算施压的电压平均值；
步骤S44：将施压的电压平均值带入特性曲线中计算当前的压力值。
本发明的有益效果是：
1、元器件少，成本低，装配简单；
2、可以实现三维力的解耦测量，使用简单；
3、可以方便组成平面传感器，测量力的分布；
4、机械性能好，适用于柔性触觉和可穿戴传感器等应用场景。
本发明整个系统使用元器件较少，成本低，工作原理简单易操作，同时具有光纤传感器所带来的抗干扰能力强，灵敏度高，带宽高等特点。本发明可以实现三维力的解耦测量，可以方便部署在需要测量三维力的应用场景。本发明也可以将传感器组成矩阵形式，测量平面力的分布,实现如足式机器人脚步压力分布的测量。本发明使用的聚合物光纤传感器机械性能好，适用于柔性触觉和可穿戴传感等应用场景。
附图说明
图1为本发明实施例1的示意图；
图2为本发明实施例1的特性曲线图；
图3为本发明实施例1的提前标定特性曲线的流程图；
图4为本发明实施例2的示意图；
图5为本发明实施例3的示意图。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于光纤的压力测量系统，包括：
沿光路方向依次连接的恒流驱动器、光源、光纤传感器、光电二极管、信号采集放大电路、滤波器、模数转换器、处理器，所述光纤传感器中部卷绕形成光纤环；其中：
光源：用于发射照明光；
恒流驱动器：用于保证所述照明光的光强不变；
光纤传感器：用于传输所述照明光；
光纤环：用于调整所述光纤传感器中所述照明光的光透过率；
光电二极管：用于将所述光纤传感器输出端输出的所述照明光的光信号转换成电流信号；
信号采集放大电路：用于将所述电流信号转换成电压信号并放大；
滤波器：用于将放大的所述电压信号进行滤波；
模数转换器：用于将滤波后的所述电压信号进行模数转换输出电压值；
处理器：用于根据所述电压值以及提前标定的所述光纤传感器的特性曲线，确定当前压力值。
所述光纤传感器数量为一根时，所述光源数量为一个，所述光纤传感器卷绕形成光纤环后与所述光电二极管连接，所述光电二极管连接所述信号采集放大电路。
所述光纤传感器数量为两根时，所述光源数量为一个，两根所述光纤传感器上的光纤环的轴互相垂直，且各连接一个所述光电二极管，两个所述光电二极管均连接同一个信号采集放大电路。
所述光纤传感器数量为两根以上，所述光纤传感器组成传感器矩阵，且每一根所述光纤传感器绕卷一个光纤环，每一根所述光纤传感器对应一个所述光源和一个所述光电二极管，每个所述光电二极管均连接对应的信号采集放大电路。
所述光源为红外LED光源。
所述光纤传感器采用聚合物材料，并将所述光纤环固化在柔性材料中。
所述柔性材料采用硅胶。
本发明还提供一种基于光纤的压力测量系统，其压力测量步骤如下：
步骤S1：光源发射照明光通过光纤传感器传输至光电二极管，同时恒流驱动器保证所述照明光的光强不变；
步骤S2：在所述光纤传感器上绕光纤环，并对所述光纤环施加压力，施加压力后的所述照明光通过光电二极管，将所述照明光的光信号转换成电流信号；
步骤S3：信号采集放大电路将采集到的电流信号转换成电压信号并放大；
步骤S4：放大后的所述电压信号通过滤波器进行滤波后，进行滤波后的电压信号通过模数转换器进行模数转换输出电压值，处理器根据提前标定的所述光纤传感器的特性曲线和当前电压值，确定当前压力值。
所述步骤S4中提前标定的所述光纤传感器的特性曲线步骤如下：通过在所述光纤环施加不同大小的力，处理器分别读取对应力的模数转换器转换的电压值，确定光纤传感器的力-电压特性关系，通过拟合，确定光纤传感器的特性曲线。
所述步骤S4的具体过程如下：
步骤S41：没有压力施加在光纤环上时，读取若干次模数转换器电压值，并计算电压平均值；
步骤S42：通过电压平均值对参数赋值形成特性曲线；
步骤S43：延时若干秒后对所述光纤环施加不同大小的力，处理器分别读取对应力的模数转换器转换的电压值，计算施压的电压平均值；
步骤S44：将施压的电压平均值带入特性曲线中计算当前的压力值。
实施例1
参见图1，一种基于光纤的压力测量系统，包括：
光源101，采用窄波段的红外LED；恒流驱动器102，光纤传感器104，光纤传感器104绕一个半径为1mm的光纤环108，使光纤曲率发生变化，并固化在柔性材料硅胶中，当光通过光纤环108时，部分光折射出光纤而损耗，光电二极管105，信号采集放大电路106，滤波器107，模数转换器109，模数转换器109为ADC，处理器103；
恒流驱动器102，光源101，光纤传感器104，光电二极管105，信号采集放大电路106，滤波器107，ADC模数转换器109，处理器103沿光路方向依次连接。
步骤S1：光源101发射照明光通过光纤传感器104传输至光电二极管105，同时恒流驱动器102保证所述照明光的光强不变；
步骤S2：在所述光纤传感器104上绕光纤环108，并对所述光纤环108施加压力，只有一根光纤传感器104，此时光纤环108轴向要垂直于施力的平面，即只能测量压力。光纤环108的曲率增大，从光纤环108处折射出光纤的光增加，导致光透过率（透过率是指光纤输出端光强与输入端光强比值）下降，在光纤输出端，施加压力后的所述照明光通过光电二极管105，将所述照明光的光信号转换成电流信号；
步骤S3：信号采集放大电路106将采集到的电流信号转换成电压信号并放大；
步骤S4：放大后的所述电压信号通过滤波器107进行滤波后，进行滤波后的电压信号通过ADC模数转换器109进行模数转换输出电压值，处理器103根据提前标定的所述光纤传感器104的特性曲线和当前电压值，确定当前压力值。
当没有压力施加在光纤环108上时，此时光在光纤传感器104中的透过率最高，ADC模数转换器109转换出的电压值最大，当有压力施加在光纤环108上时，光纤环108曲率增大，光透过率减小，ADC模数转换器109转换出的电压值也减小。
光纤传感器104在使用之前需要提前标定，即测出光纤传感器104特性曲线的斜率值，整个标定过程如下：通过在光纤环108上施加不同压力的大小，处理器103可以分别读取对应压力的ADC模数转换器109转换电压值，压力和电压值测量数据对应见表1所示，表1的测量数据确定光纤传感器104的压力-电压特性关系，通过拟合，确定一条光纤传感器104的特性曲线。
表1 压力和电压值测量数据对应表
| 序号 | 力(N) | 电压(V) |
| 1 | 0 | 1.082 |
| 2 | 5.3 | 1.012 |
| 3 | 10.3 | 0.928 |
| 4 | 13.7 | 0.873 |
| 5 | 16.9 | 0.823 |
参见图2为光纤传感器104的特性曲线，图中横轴是电压，纵轴是压力。特性曲线拟合为一条F=k*V+b的曲线，其中，k是曲线斜率，V是ADC模数转换器109转换的电压值，b是曲线截距，F为施加在光纤环108上的压力。根据表1，确定方程
，其中，
通过提前标定光纤传感器104，确定特性曲线斜率k。将标定的特性曲线函数输入到处理器103的程序中，当系统开机初始化时，此时没有压力施加在光纤环108上，处理器103读取ADC模数转换器109转换的电压值V0，则确定特性曲线截距电压b=-k*V0。在进行压力测量时，处理器103从ADC模数转换器109中读取此时电压值V，根据F=k*V+b就可以计算出当前光纤传感器104上的压力值。
压力测量流程参见图3所示，步骤201和步骤202是系统开机初始化后，还没有压力施加在光纤环108上时，读取10次ADC模数转换器109电压值，步骤203为上面10次读取的ADC模数转换器109电压值取平均值V0，此时给参数b赋值，b=-k*V0，步骤204延时5s中之后，步骤205和步骤206为开始正常测量光纤环108的压力，读取10次ADC模数转换器109电压值之后，步骤207取平均值为此时的电压值V，将V和参数b带入特性函数步骤208中，求出此时光纤传感器104上的压力值，步骤209为每100ms重复测量一下此时光纤传感器104上的压力值。
实施例2
参见图4，一种基于光纤的压力测量系统，包括：
光源401，恒流驱动器402，第一光纤传感器404和第二光纤传感器405作为光纤传感器，第一光纤传感器404和第二光纤传感器405的轴向互相垂直，即第一光纤传感器404和第二光纤传感器405绕卷的光纤环411包络成一个球面，并用柔性材料硅胶等固化在一起，用第一光电二极管406和第二光电二极管407测量光纤环411的输出光强，信号采集放大电路408，滤波器409，模数转换器410为ADC，处理器403；
步骤S1：光源401发射照明光通过第一光纤传感器404和第二光纤传感器405分别传输至第一光电二极管406和第二光电二极管407，同时恒流驱动器402保证所述照明光的光强不变；
步骤S2：对光纤环411施加压力，第一光纤传感器404轴向设为X方向，测量的压力大小为F1，第二光纤传感器405轴向设为Y方向，测量的压力大小为F2，当第一光纤传感器404和第二光纤传感器405的压力大小相同时，压力来自Z方向，垂直与XY平面，施加压力后的所述照明光通过分别第一光电二极管406和第二光电二极管407，将所述照明光的光信号转换成电流信号；
步骤S3：信号采集放大电路408将采集到的电流信号转换成电压信号并放大；
步骤S4：放大后的所述电压信号通过滤波器409进行滤波后，进行滤波后的电压信号通过ADC模数转换器410进行模数转换输出电压值，处理器403根据提前标定的的特性曲线和当前电压值，确定当前压力值。
步骤S41：没有压力施加在光纤环411上时，读取10次模数转换器410电压值，并计算电压平均值；
步骤S42：通过电压平均值对参数赋值形成特性曲线；
步骤S43：延时若干秒后对所述光纤环411施加不同大小的力，处理器403分别读取对应力的模数转换器410转换的电压值，计算施压的电压平均值；
步骤S44：将施压的电压平均值带入特性曲线中计算当前的压力值。
本实施例使用两路光纤传感器测量一个点的压力，可以实现三维力的解耦测量。
实施例3
参见图5，在很多应用场景中，经常需要测量一个平面的压力分布，如双足式机器人的脚底压力分布或机器人的机械手判断刚性物体表面，此时的光纤传感器可以方便的组成一个传感器矩阵，测量传感器矩阵上的压力分布。
一种基于光纤的压力测量系统，包括：
多个光源501，且光源501为红外LED，恒流驱动器502，4*4个光纤传感器503组成的传感器矩阵，用来测量压力分布或者刚体边缘，每一个光源501对应一个光纤传感器503，每一个光纤传感器503均绕卷有光纤环，光电二极管504，每一个光纤传感器503对应一个光电二极管504，信号采集处理电路505包括信号采集放大电路，滤波器，模数转换器ADC和处理器。
步骤S1：光源501发射照明光通过4*4个光纤传感器503组成的传感器矩阵传输至光电二极管504，同时恒流驱动器502保证所述照明光的光强不变；
步骤S2：对光纤环施加压力，施加压力后的所述照明光通过光电二极管504，将所述照明光的光信号转换成电流信号；
步骤S3：信号采集处理电路505将采集到的电流信号经过一系列的处理确定当前压力值。
本实施例3是矩阵式光纤传感器，即类比图像的像素点，用光纤传感器组成矩阵，每一个光纤传感器就是一个压力检测点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，包括：
沿光路方向依次连接的恒流驱动器、光源、光纤传感器、光电二极管、信号采集放大电路、滤波器、模数转换器、处理器，所述光纤传感器中部卷绕形成光纤环；其中：
光源：用于发射照明光；
恒流驱动器：用于保证所述照明光的光强不变；
光纤传感器：用于传输所述照明光；
光纤环：用于调整所述光纤传感器中所述照明光的光透过率；
光电二极管：用于将所述光纤传感器输出端输出的所述照明光的光信号转换成电流信号；
信号采集放大电路：用于将所述电流信号转换成电压信号并放大；
滤波器：用于将放大的所述电压信号进行滤波；
模数转换器：用于将滤波后的所述电压信号进行模数转换输出电压值；
处理器：用于根据所述电压值以及提前标定的所述光纤传感器的特性曲线，确定当前压力值。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，所述光纤传感器数量为一根时，所述光源数量为一个，所述光纤传感器卷绕形成光纤环后与所述光电二极管连接，所述光电二极管连接所述信号采集放大电路。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，所述光纤传感器数量为两根时，所述光源数量为一个，两根所述光纤传感器上的光纤环的轴互相垂直，且各连接一个所述光电二极管，两个所述光电二极管均连接同一个信号采集放大电路。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，所述光纤传感器数量为两根以上，所述光纤传感器组成传感器矩阵，且每一根所述光纤传感器绕卷一个光纤环，每一根所述光纤传感器对应一个所述光源和一个所述光电二极管，每个所述光电二极管均连接对应的信号采集放大电路。
5.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，所述光源为红外LED光源。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，所述光纤传感器采用聚合物材料，并将所述光纤环固化在柔性材料中。
7.如权利要求6所述的一种基于光纤的压力测量系统，其特征在于，所述柔性材料采用硅胶。
8.一种基于光纤的压力测量方法，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的基于光纤的压力测量系统，其压力测量步骤如下：
步骤S1：光源发射照明光通过光纤传感器传输至光电二极管，同时恒流驱动器保证所述照明光的光强不变；
步骤S2：在所述光纤传感器上绕光纤环，并对所述光纤环施加压力，施加压力后的所述照明光通过光电二极管，将所述照明光的光信号转换成电流信号；
步骤S3：信号采集放大电路将采集到的电流信号转换成电压信号并放大；
步骤S4：放大后的所述电压信号通过滤波器进行滤波后，进行滤波后的电压信号通过模数转换器进行模数转换输出电压值，处理器根据提前标定的所述光纤传感器的特性曲线和当前电压值，确定当前压力值。
9.如权利要求8所述的一种基于光纤的压力测量方法，其特征在于，所述步骤S4中提前标定的所述光纤传感器的特性曲线步骤如下：通过在所述光纤环施加不同大小的力，处理器分别读取对应力的模数转换器转换的电压值，确定光纤传感器的力-电压特性关系，通过拟合，确定光纤传感器的特性曲线。
10.如权利要求8所述的一种基于光纤的压力测量方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程如下：
步骤S41：没有压力施加在光纤环上时，读取若干次模数转换器电压值，并计算电压平均值；
步骤S42：通过电压平均值对参数赋值形成特性曲线；
步骤S43：延时若干秒后对所述光纤环施加不同大小的力，处理器分别读取对应力的模数转换器转换的电压值，计算施压的电压平均值；
步骤S44：将施压的电压平均值带入特性曲线中计算当前的压力值。
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