基于光纖傳感器的彈簧檢長系統(tǒng)

張永超, 趙錄懷, 靳錦華, 楊鈞翔

(1.西安交通大學城市學院,陜西 西安 710018； 2.西安交通大學 電氣學院,陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、對彈簧生產(chǎn)的精度要求也越來越高、彈簧長度檢測設備的優(yōu)良直接關系著產(chǎn)品的精度[1]。

目前彈簧測試的方法主要有原子力顯微鏡法(atomic force microscope,AFM)、射線測量法、電感法、霍爾元件法[2]。其原理利用物質表面間的原子間力效應、利用射線穿透物體后其強度的衰減與物體厚度的關系實現(xiàn)位移的精密測量,缺點是成像范圍小、速度慢、受探頭的影響大,會對人體造成傷害,污染環(huán)境；易受外界的電磁場干擾,受溫度影響,互換性差[3,4]。

本文設計了基于光纖傳感器的彈簧檢長系統(tǒng),光纖傳感器精度高、抗干擾能力強[1,2]。系統(tǒng)由光纖傳感器、測量及放大電路、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)[3～15]和顯示組成。實際測試光纖傳感器對待測彈簧測量結果正確率為100 %,且精度高成本低,操作簡單。

1 光纖傳感器原理與測量原理

1.1 光纖傳感器原理

光纖傳感器可以實現(xiàn)對微小位移的測量,光將在纖芯內部和包層的接觸面上逐次發(fā)生全反射,呈鋸齒狀在纖芯內部進行傳送至光纖末端。圖1為Y型光纖傳感器實物圖。光纖一端接收光源發(fā)出的光,光經(jīng)過發(fā)光光纖傳遞到另一端,再經(jīng)過被測表面鏡面反射至接收光纖一端,光經(jīng)過接收光纖傳遞到另一端的光敏三極管,由光敏三極管轉換成電壓信號。

圖1 Y型光纖傳感器實物

假定入射和反射光纖采用數(shù)值孔徑相同的光纖NAT=NAR=NA,纖芯半徑分別為rT和rR,兩光纖軸之間距離為P,光纖端面與反射面間距離為d,耦合的入射光功率為P0,光纖端的入射光強表達式為

(1)

q(d)=σrT[1+ζ(d/rT)1.5tan(arcsinNA)]

(2)

式中d為光纖端面到反射板距離,P處的準高絲光斑的等效半徑；σ為光線折射率參數(shù)；ζ為光源調和參數(shù)。得反射斷面上的反射光強表達式為

(3)

基于對單根光纖光強功率的分析可得反射光纖接收到的光強功率為

(4)

式中Ks為反射面的反射系數(shù)；Kf為光纖探頭端面的反射系數(shù)(常數(shù))；P0為入射光強功率的光源(常數(shù))。

若光纖確定,則B和tanα為常數(shù),可得Pr是只與光纖探頭與反射面之間的距離d的函數(shù),通過光強信號變化來檢測d。

本系統(tǒng)傳感器部分選用BTS314058單色發(fā)光二極管,Pt5A850AC光敏三極管。

1.2 測量原理

圖2 彈簧檢長系統(tǒng)結構示意

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)由光纖傳感器、測量及放大電路、FPGA、LCD顯示器組成。放大電路采用的是8引腳SOIC和DIP封裝的AD620,FPGA單片機控制器用Altera公司EP1C6Q240C8 Cyclone系列芯片F(xiàn)PGA,最高工作頻率275 MHz,電源電壓3.3 V,1602LCD液晶顯示器,系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結構框圖

3 系統(tǒng)標定

為了標定d與彈簧檢長系統(tǒng)輸出電壓V的函數(shù)關系。將被測表面與千分尺的測量端相連,調整千分尺使被測表面和光纖傳感器的一端緊挨,旋轉千分尺使被測表面遠離光纖傳感器,位移每變化Δx=0.01 mm,記錄輸出電壓V0,重復測量10次計算輸出電壓平均值V,擬合d與輸出電壓V函數(shù)關系如圖4所示。

圖4 電壓V與d關系圖

由圖可知,d與輸出電壓V函數(shù)關系為

V=1d+3.1

(5)

線性度為

(6)

4 實際驗證

按照國標GB/T 2089-1994一級精度的彈簧長度和標準彈簧長度相比相對誤差。由實驗可知光纖傳感器的分辨力為0.01 mm滿足對彈簧的測量。

驗證步驟：1)根據(jù)圖4實驗數(shù)據(jù)選定d=2.5 mm,此時光線傳感器的線性度好,處于測量長度的中間位置,更有利于測量待測彈簧與標準彈簧長度變化量Δx；2)標準彈簧放入如圖3所示的系統(tǒng)中,調整固定面板使d=2.5 mm,并記錄輸出電壓V1；3)取出標準彈簧,放入待測彈簧,記錄記錄輸出電壓V2；4)利用式(5)將分別計算V1和V2所對應的d1和d2,由Δx=d1-d2計算出Δx,如果Δx小于等于±0.2 mm為合格。

經(jīng)實際和標準儀器對待測彈簧測量結果相比準確率為100 %,且精度高成本低,操作簡單。

5 結 論

本文提出一種基于反射式光纖傳感器的彈簧微小位移的測量方法,實現(xiàn)非接觸彈簧長度精密測量,經(jīng)實驗驗證測量精測量分辨力可以達到0.01 mm,線性度為0.01,表明：該系統(tǒng)分辨力高、抗干擾能力強。實際測試光纖傳感器對待測彈簧測量結果正確率為100 %,且精度高成本低,操作簡單。