基于光纤传感器的弹簧检长系统

张永超, 赵录怀, 靳锦华, 杨钧翔

(1.西安交通大学城市学院,陕西 西安 710018； 2.西安交通大学 电气学院,陕西 西安 710049)

0 引 言

随着科学技术和现代工业的发展、对弹簧生产的精度要求也越来越高、弹簧长度检测设备的优良直接关系着产品的精度[1]。

目前弹簧测试的方法主要有原子力显微镜法(atomic force microscope,AFM)、射线测量法、电感法、霍尔元件法[2]。其原理利用物质表面间的原子间力效应、利用射线穿透物体后其强度的衰减与物体厚度的关系实现位移的精密测量,缺点是成像范围小、速度慢、受探头的影响大,会对人体造成伤害,污染环境；易受外界的电磁场干扰,受温度影响,互换性差[3,4]。

本文设计了基于光纤传感器的弹簧检长系统,光纤传感器精度高、抗干扰能力强[1,2]。系统由光纤传感器、测量及放大电路、现场可编程门阵列(FPGA)[3～15]和显示组成。实际测试光纤传感器对待测弹簧测量结果正确率为100 %,且精度高成本低,操作简单。

1 光纤传感器原理与测量原理

1.1 光纤传感器原理

光纤传感器可以实现对微小位移的测量,光将在纤芯内部和包层的接触面上逐次发生全反射,呈锯齿状在纤芯内部进行传送至光纤末端。图1为Y型光纤传感器实物图。光纤一端接收光源发出的光,光经过发光光纤传递到另一端,再经过被测表面镜面反射至接收光纤一端,光经过接收光纤传递到另一端的光敏三极管,由光敏三极管转换成电压信号。

图1 Y型光纤传感器实物

假定入射和反射光纤采用数值孔径相同的光纤NAT=NAR=NA,纤芯半径分别为rT和rR,两光纤轴之间距离为P,光纤端面与反射面间距离为d,耦合的入射光功率为P0,光纤端的入射光强表达式为

(1)

q(d)=σrT[1+ζ(d/rT)1.5tan(arcsinNA)]

(2)

式中d为光纤端面到反射板距离,P处的准高丝光斑的等效半径；σ为光线折射率参数；ζ为光源调和参数。得反射断面上的反射光强表达式为

(3)

基于对单根光纤光强功率的分析可得反射光纤接收到的光强功率为

(4)

式中Ks为反射面的反射系数；Kf为光纤探头端面的反射系数(常数)；P0为入射光强功率的光源(常数)。

若光纤确定,则B和tanα为常数,可得Pr是只与光纤探头与反射面之间的距离d的函数,通过光强信号变化来检测d。

本系统传感器部分选用BTS314058单色发光二极管,Pt5A850AC光敏三极管。

1.2 测量原理

图2 弹簧检长系统结构示意

2 系统硬件设计

系统由光纤传感器、测量及放大电路、FPGA、LCD显示器组成。放大电路采用的是8引脚SOIC和DIP封装的AD620,FPGA单片机控制器用Altera公司EP1C6Q240C8 Cyclone系列芯片FPGA,最高工作频率275 MHz,电源电压3.3 V,1602LCD液晶显示器,系统结构如图3所示。

图3 系统结构框图

3 系统标定

为了标定d与弹簧检长系统输出电压V的函数关系。将被测表面与千分尺的测量端相连,调整千分尺使被测表面和光纤传感器的一端紧挨,旋转千分尺使被测表面远离光纤传感器,位移每变化Δx=0.01 mm,记录输出电压V0,重复测量10次计算输出电压平均值V,拟合d与输出电压V函数关系如图4所示。

图4 电压V与d关系图

由图可知,d与输出电压V函数关系为

V=1d+3.1

(5)

线性度为

(6)

4 实际验证

按照国标GB/T 2089-1994一级精度的弹簧长度和标准弹簧长度相比相对误差。由实验可知光纤传感器的分辨力为0.01 mm满足对弹簧的测量。

验证步骤：1)根据图4实验数据选定d=2.5 mm,此时光线传感器的线性度好,处于测量长度的中间位置,更有利于测量待测弹簧与标准弹簧长度变化量Δx；2)标准弹簧放入如图3所示的系统中,调整固定面板使d=2.5 mm,并记录输出电压V1；3)取出标准弹簧,放入待测弹簧,记录记录输出电压V2；4)利用式(5)将分别计算V1和V2所对应的d1和d2,由Δx=d1-d2计算出Δx,如果Δx小于等于±0.2 mm为合格。

经实际和标准仪器对待测弹簧测量结果相比准确率为100 %,且精度高成本低,操作简单。

5 结 论

本文提出一种基于反射式光纤传感器的弹簧微小位移的测量方法,实现非接触弹簧长度精密测量,经实验验证测量精测量分辨力可以达到0.01 mm,线性度为0.01,表明：该系统分辨力高、抗干扰能力强。实际测试光纤传感器对待测弹簧测量结果正确率为100 %,且精度高成本低,操作简单。