農(nóng)業(yè)裝備升降裝置非接觸式光纖位移傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

閆 光 盧建中 孟凡勇 鹿利單 祝連慶

(1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192；2.北京信息科技大學(xué)光纖傳感與系統(tǒng)北京實(shí)驗(yàn)室， 北京 100016)

0 引言

大型拖拉機(jī)、高效聯(lián)合收獲機(jī)等高端農(nóng)業(yè)裝備及關(guān)鍵核心零部件的信息采集、精準(zhǔn)作業(yè)、智能決策是推進(jìn)形成面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化的重要內(nèi)容，被列為中國(guó)制造2025十大重點(diǎn)突破領(lǐng)域之一[1-3]。位移是較為容易測(cè)得的物理量，通過(guò)相關(guān)知識(shí)的轉(zhuǎn)化，可以得到諸如應(yīng)變、溫度、加速度、應(yīng)力等所需工程數(shù)據(jù)[4-5]，且位移與其他物理量相比，更容易獲得較高精度數(shù)據(jù)，因此位移量的監(jiān)測(cè)是工程測(cè)量技術(shù)中最基本的測(cè)量參數(shù)。

傳統(tǒng)的電測(cè)位移方法在實(shí)際工程中不具有抗電磁干擾能力、難以組網(wǎng)復(fù)用，所以光纖傳感器應(yīng)運(yùn)而生[6-7]。光纖具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕和不受外界環(huán)境電磁輻射干擾等優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中可以有很大的自由空間[8]。

光纖位移傳感器測(cè)量簡(jiǎn)單便捷，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)其做了大量研究。ZOU等[9]提出了由光纖光柵、雙芯光纖和彈簧組成的用于位移測(cè)量的級(jí)聯(lián)彈簧系統(tǒng)，測(cè)量范圍達(dá)到10 mm；賈旻等[10]利用待測(cè)位移量可由反射光強(qiáng)變化得出的原理設(shè)計(jì)了基于反射式塑料光纖位移傳感器，在0～3 mm位移范圍內(nèi)測(cè)量輸出與實(shí)際位移呈線性關(guān)系，靈敏度為2.13 mV/μm；張燕君等[11]設(shè)計(jì)了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的可調(diào)量程拉繩式光纖光柵位移傳感器，傳感器量程達(dá)到60 mm，靈敏度為47.7 pm/mm；ZHU等[12]使用兩個(gè)FBG位移傳感器，結(jié)合磁場(chǎng)搭建的非接觸位移系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全范圍、非接觸、排除溫度影響的位移測(cè)量；BABAEV等[13]基于磁光效應(yīng)非接觸光纖位移傳感器的算法研究，在50 mm測(cè)量范圍內(nèi)，非線性度不超過(guò)0.01%。

雖然近年來(lái)位移傳感器發(fā)展十分迅速，但在農(nóng)業(yè)設(shè)備信息監(jiān)測(cè)中[14]，上述位移傳感器的量程范圍僅限于納米、微米、毫米、厘米級(jí)，這些特性限制了光纖在寬量程測(cè)量中的應(yīng)用，而寬量程高靈敏度位移測(cè)量在實(shí)際工程領(lǐng)域中十分重要。本文提出基于Peanut-shape的邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)的光纖位移傳感器，將高精度、高靈敏度的全纖式邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)相結(jié)合，由磁尺長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)寬量程的測(cè)量。

1 傳感測(cè)量原理與永磁陣列強(qiáng)度分析

光纖全纖式Peanut-shape邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Peanut-shape干涉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of Peanut-shape interference structure1.入射光 2.纖芯光 3.包層光 4.反射光

光纖輸入光信號(hào)在經(jīng)過(guò)Peanut-shape結(jié)構(gòu)處時(shí)被分為兩路光路，分別沿著纖芯和光纖的高階包層膜進(jìn)行傳輸，兩路光傳輸一段距離后到達(dá)光纖最終端面并從最終端面反射回來(lái)(最終端面相當(dāng)于一面反射鏡)。當(dāng)在高階包層膜中反射回來(lái)的光再次經(jīng)過(guò)Peanut-shape結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)與纖芯中的光重新耦合在一起。由于纖芯和包層的相位不同，因此會(huì)發(fā)生兩束光的干涉，即邁克爾遜干涉。所形成的邁克爾遜干涉可以用來(lái)測(cè)量許多環(huán)境參數(shù)[15]。纖芯與包層兩路光的相位差Δφ可以表示為

(1)

其中

式中 Δnneff——纖芯與包層有效折射率差

L——Peanut-shape結(jié)構(gòu)與反射端面的干涉距離，m

N——干涉峰波谷或波峰階數(shù)

λ——入射波長(zhǎng)，m

干涉譜的光強(qiáng)可以表示為

(2)

式中I——干涉譜光強(qiáng),W

I1——纖芯光光強(qiáng),W

I2——包層光光強(qiáng),W

當(dāng)相位差Δφ=(2N+1)π時(shí)，可以得到第N階干涉峰波谷的中心波長(zhǎng)

(3)

2個(gè)干涉峰之間的距離(FSR)為

(4)

當(dāng)作用在光纖邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變或溫度發(fā)生變化時(shí)，纖芯與包層的有效折射率及干涉距離L都會(huì)產(chǎn)生變化，從而引起干涉條紋的變化，由式(3)、(4)可得

(5)

ε——作用在光纖的應(yīng)變,m/℃

KT——溫度系數(shù),nm/℃

ΔT——溫度變化量,℃

Kε——應(yīng)變系數(shù),nm

Δε——應(yīng)變變化量

根據(jù)上述分析可知，基于光纖全纖式Peanut-shape邁克爾遜結(jié)構(gòu)可以用來(lái)對(duì)外界參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

利用麥克斯韋方程組和邊界條件，對(duì)磁場(chǎng)建立有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 有限元分析Fig.2 Finite element analyses

對(duì)磁尺陣列表面的磁場(chǎng)及傳感探頭和邁克爾遜干涉的感應(yīng)靈敏度及輸出信號(hào)進(jìn)行分析。仿真模型是由等效于線性滑動(dòng)的4個(gè)永磁體陣列組成的。磁尺陣列上方為傳感器探測(cè)器所在位置。通過(guò)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行移動(dòng)，會(huì)使其施加的磁場(chǎng)和作用于Peanut-shape邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)的應(yīng)變發(fā)生變化，從而達(dá)到對(duì)位移的探測(cè)與信號(hào)處理。

進(jìn)行有限元分析時(shí)對(duì)永磁體磁場(chǎng)進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算與仿真。仿真計(jì)算時(shí)，空氣層厚度為6 mm，磁標(biāo)距為10 mm，進(jìn)行仿真的4個(gè)永磁體陣列使用的是NNSN排序，前2個(gè)永磁體呈NN排序，后2個(gè)永磁體呈SN排序，同一張圖得到兩種排序的磁場(chǎng)曲線仿真結(jié)果。后面試驗(yàn)中則使用的均為NS交替排序方法?？諝鈱拥拇艌?chǎng)強(qiáng)度較為顯著，為了得到更可靠的結(jié)果，需要對(duì)其更為精細(xì)分割，如圖2a、2b所示。

圖2c為與磁尺的距離從0到4 mm的磁尺表面磁感應(yīng)強(qiáng)度密度分布，每0.5 mm為一個(gè)步進(jìn)。該圖中的曲線由箭頭方向不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度構(gòu)成，橫坐標(biāo)表示磁尺陣列的一段，縱坐標(biāo)表示為磁感應(yīng)強(qiáng)度。如圖2d所示，距離磁尺的距離越近，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的變形就越嚴(yán)重，類似于鋸齒波；而與磁尺的距離越大，N/S排序連續(xù)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線越好，越接近正弦。磁力的正弦曲線計(jì)算公式可以表示為[16]

(6)

式中B——磁力振幅，N

τ——磁尺陣列N/S一個(gè)周期內(nèi)的間距，m

x——傳感探測(cè)器與磁尺陣列相對(duì)移動(dòng)距離，m

位移傳感器量程由磁尺陣列長(zhǎng)度決定，磁尺陣列可根據(jù)需求無(wú)限增加，因此認(rèn)為量程可無(wú)限增大。由圖2d可知，在傳感探測(cè)器與磁尺之間的距離為1～3 mm時(shí)，能夠確定理想的正弦波形。通過(guò)理論分析，可以找到最佳的磁間距來(lái)獲得更好的分辨率。

由于光纖屬于各向同性的圓柱結(jié)構(gòu)，所以光纖所受到的應(yīng)力可以分為3部分，沿著光纖方向的軸向應(yīng)力在光纖波長(zhǎng)變化中發(fā)揮著重要作用。

在彈性范圍內(nèi)，給光纖施加軸向力，光纖受到的橫向壓縮或拉伸，可以使用胡克定律表示

(7)

式中σ——應(yīng)力張量

c——彈性模量

A——橫截面積

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，在不考慮溫度影響的情況下，聯(lián)立式(5)～(7)，可以得到光纖中心波長(zhǎng)變化與位移引起的應(yīng)變之間的關(guān)系

(8)

其中

D=BKε/(Ac)

式中D——靈敏度，pm

D可以通過(guò)改變B來(lái)調(diào)整，當(dāng)磁場(chǎng)增加或探測(cè)器與磁尺間的間隙變小時(shí)，靈敏度增高。

2 傳感器結(jié)構(gòu)制作與封裝

利用光纖全纖式Peanut-shape邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)及磁力效應(yīng)進(jìn)行了傳感器設(shè)計(jì)，光纖本身的Peanut-shape結(jié)構(gòu)使光路產(chǎn)生邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生干涉光譜，傳感探頭為永磁體，負(fù)責(zé)將磁力信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移參數(shù)的信號(hào)。磁力強(qiáng)度的變化會(huì)使得Peanut-shape邁克爾遜結(jié)構(gòu)的干涉譜發(fā)生變化。

使用CO2激光熔接工作站(Fujikura，LZM100型)對(duì)光纖進(jìn)行Peanut-shape結(jié)構(gòu)制作。圖3為試驗(yàn)過(guò)程中利用光纖熔接機(jī)制作出的光纖Peanut-shape結(jié)構(gòu)顯微圖。

具體制作過(guò)程如下：首先將一端切平的光纖放入光纖熔接機(jī)中，對(duì)光纖端面進(jìn)行熔融。系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)置如下：光纖球過(guò)渡直徑設(shè)置為180 μm，可調(diào)整偏差為5 μm，光纖直徑125 μm，預(yù)熱10 s。由于放電能量較大，會(huì)使光纖切平端面熔為一個(gè)球形。待兩根光纖球形端面制作完成后，對(duì)光纖進(jìn)行熔接，形成Peanut-shape結(jié)構(gòu)，構(gòu)成邁克爾遜干涉。

圖4 傳感器及位移平臺(tái)示意圖Fig.4 Schematic of sensor and displacement platform1.傳感器 2.彈簧 3.Peanut-shape結(jié)構(gòu) 4.永磁體 5.磁尺

封裝時(shí)，將彈簧套在制作的光纖Peanut-shape結(jié)構(gòu)處，彈簧長(zhǎng)度約14 mm，使用環(huán)氧樹(shù)脂膠(DP420)將彈簧與光纖一端膠粘在永磁體表面，并置于錐形橡膠管中，在錐形橡膠管尾部套入光纖保護(hù)套管，使用環(huán)氧樹(shù)脂膠(DP420)進(jìn)行膠裝。封裝完成的傳感器及位移平臺(tái)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)

取制作好的Peanut-shape光纖，進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)。將光纖粘貼于拉伸試驗(yàn)件，并將拉伸件夾在MTS拉伸試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)其施加應(yīng)變0～1 600 με，光譜儀采集的光譜如圖5所示。

圖5 不同應(yīng)變下的光譜Fig.5 Spectrum of different strains

使用Matlab進(jìn)行波谷尋峰，得到應(yīng)變與中心波長(zhǎng)的標(biāo)定關(guān)系如圖6所示。

圖6 應(yīng)變標(biāo)定Fig.6 Strain calibration

3.2 位移試驗(yàn)系統(tǒng)

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Field experimental system1.步進(jìn)電機(jī) 2.控制驅(qū)動(dòng)器 3.供電電源 4.光譜儀 5.光源 6.耦合器 7.微位移平臺(tái) 8.傳感器 9.磁尺

取相同規(guī)格的光纖進(jìn)行封裝，對(duì)封裝完成的傳感器進(jìn)行位移測(cè)試，評(píng)估傳感器性能。采用AQ6370D型光譜分析儀、光源、計(jì)算機(jī)、PSMX25系列微位移平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、開(kāi)關(guān)電源等搭建試驗(yàn)系統(tǒng)。整體試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

光源發(fā)出的光波通過(guò)耦合器進(jìn)入光纖Peanut-shape邁克爾遜結(jié)構(gòu)的光纖傳感器中，經(jīng)反射后將光譜信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀中，通過(guò)光譜儀對(duì)返回光譜數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，能夠評(píng)價(jià)傳感器性能。傳感器的邁克爾遜干涉反射譜如圖8所示。

圖8 干涉反射譜Fig.8 Interference reflection spectrum

波峰或波谷的中心波長(zhǎng)及偏移量可通過(guò)光譜分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，步進(jìn)電機(jī)的電壓設(shè)為恒壓20 V，通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制器(JF24D03M型)的DIP開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)速度與方向，通過(guò)不同的端口開(kāi)關(guān)，可以控制不同的轉(zhuǎn)速模式及運(yùn)動(dòng)方向。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析圖2d、圖5及式(6)～(8)可知，光譜儀物理分辨率固定為0.02 nm，傳感探頭與磁尺距離越近時(shí)，傳感器位移相同時(shí)所受到的力及應(yīng)變?chǔ)啪驮酱?，光譜漂移量越大。縮小傳感探頭與磁尺間距離，或增加永磁體強(qiáng)度，即可提高測(cè)量精度與靈敏度。

分析圖6可以得到中心波長(zhǎng)y與微應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系式為

y=0.001 82ε+1 557.294 (R2=0.997)

(9)

分析式(9)可知，Peanut-shape光纖傳感器應(yīng)變靈敏度達(dá)到1.82 pm/με，是普通裸光纖的1.5倍，靈敏度得到了較大的提高，線性度為0.997。

當(dāng)探測(cè)器與磁尺之間的距離過(guò)小時(shí)，位移與磁場(chǎng)之間的關(guān)系類似于鋸齒波。所設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度可調(diào)，通過(guò)探測(cè)器與磁尺間距離的調(diào)整，可以改變傳感器的靈敏度，距離越近，靈敏度越高。綜合比較，探測(cè)器與磁尺間的間隙為1.5～2 mm之間時(shí)，靈敏度與反射譜波形比較合適。

試驗(yàn)中，傳感器的位置由PSMX25系列精密位移平臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與方向的控制，探測(cè)器與磁尺之間的距離為2 mm。使用Matlab對(duì)隨位移變化的其中一個(gè)波谷中心波長(zhǎng)進(jìn)行擬合。圖9試驗(yàn)曲線是傳感器干涉譜波谷中心波長(zhǎng)隨位移變化的擬合曲線，呈正弦曲線趨勢(shì)。圖2d為仿真曲線。圖9與圖2d的后半段NS仿真曲線都呈正弦曲線分布，故兩者趨勢(shì)一致。

圖9 位移與中心波長(zhǎng)關(guān)系擬合曲線Fig.9 Fitting diagram of relation between displacement and central wavelength

擬合曲線的公式可以表示為

(10)

分析圖9及式(10)可知，封裝完成的光纖Peanut-shape邁克爾遜干涉位移傳感器靈敏度高，線性擬合度達(dá)0.999，最大波長(zhǎng)偏移量為0.982 3 nm，制作的Peanut-shape光纖傳感器應(yīng)變靈敏度為1.82 pm/με，即應(yīng)變測(cè)量可以達(dá)到545.7 με。

位移傳感器方向辨別，可通過(guò)兩個(gè)傳感器形成正弦余弦曲線相互作用，或?qū)Υ懦哂来盆F的序列排序編碼實(shí)現(xiàn)[12，17]。

由文獻(xiàn)[12]可知，將兩個(gè)傳感器并排在磁尺上方，兩傳感器探頭間隔為(1/4+n)個(gè)永磁體距離，1號(hào)傳感器在位移時(shí)得到的數(shù)據(jù)擬合為正弦波，2號(hào)傳感器數(shù)據(jù)擬合為余弦波。當(dāng)正方向移動(dòng)時(shí)，1號(hào)傳感器領(lǐng)先于2號(hào)傳感器90°相位差，反之，2號(hào)傳感器領(lǐng)先于1號(hào)傳感器90°相位差，通過(guò)觀察擬合數(shù)據(jù)的相位，可以得出傳感器的移動(dòng)方向。

由文獻(xiàn)[17]電磁柵位移傳感器設(shè)計(jì)可知，對(duì)磁尺上的永磁體進(jìn)行霍爾編碼排序，N、S極輸出高低電平，對(duì)應(yīng)不同的三位、四位編碼。通過(guò)編碼與查表的方式及觀察光譜的變化，可以判定傳感器的運(yùn)動(dòng)方向，后續(xù)試驗(yàn)會(huì)繼續(xù)驗(yàn)證。

4 應(yīng)用舉例

聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，需要調(diào)節(jié)割茬高度，割臺(tái)必須升降方便。割臺(tái)升降油缸采用液壓裝置，在使用時(shí)，升降的距離十分重要，若出現(xiàn)故障，會(huì)造成很大的安全和經(jīng)濟(jì)損失，因此需要對(duì)升降距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

以北京-2.5型聯(lián)合收獲機(jī)為例，將Peanut-shape邁克爾遜干涉光纖位移傳感器應(yīng)用于割臺(tái)升降裝置中，如圖10所示。

圖10 割臺(tái)升降裝置Fig.10 Lifting device of cutting table1.頂桿 2.永磁體 3.傳感器 4.缸體 5.彈簧 6.柱塞 7.卡箍

將割臺(tái)柱塞開(kāi)一橫槽，置入永磁體陣列，形成磁尺裝置，傳感器固定在卡箍，懸于磁尺上方，構(gòu)成位移測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)柱塞活動(dòng)時(shí)，可對(duì)升降位移參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

(1)提出一種基于光纖全纖式Peanut-shape邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種非接觸式光纖位移傳感器，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)位移傳感器相比，易于制作，成本低，封裝簡(jiǎn)單，并可結(jié)合磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。數(shù)值仿真模擬表明，傳感器探頭和磁尺之間的間隙對(duì)傳感器靈敏度與輸出曲線有一定影響。傳感器量程由磁尺陣列長(zhǎng)度決定。

(2)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，建立了應(yīng)變標(biāo)定系統(tǒng)與位移測(cè)試系統(tǒng)。Peanut-shape邁克爾遜干涉的光纖傳感器應(yīng)變靈敏度達(dá)到1.82 pm/με，線性度為0.997；位移光譜曲線與仿真結(jié)果一致，線性擬合度為0.999，可測(cè)量應(yīng)變達(dá)到545.7 με。

(3)通過(guò)減小傳感探頭與磁尺的間距或提高磁場(chǎng)強(qiáng)度可以提高靈敏度系數(shù)，使得傳感器具有較高精度與靈敏度。在仿真曲線和試驗(yàn)擬合曲線中都可以觀察到很好的中心波長(zhǎng)與位移曲線關(guān)系。此外，傳感器靈敏度和測(cè)量范圍都可以通過(guò)改變?cè)O(shè)備的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。