基于导光管的位移测量装置的制作方法

本实用新型涉及距离测量技术领域，特别涉及一种基于导光管的位移测量装置。

背景技术：

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

目前，用于应变测量的光纤传感器，一般采用基于光纤光栅和长周期光纤光栅的波长位移检测技术或光纤干涉技术实现，其测量范围通常在-5000至+5000微应变之内。现有的用于应变测量的光纤传感器，其测量范围会随着灵敏度的提高而缩小，而且系统结构复杂，成本较高，同时由于测量结果受外界环境(如温度等)的影响较大，使得测量准确度低。

技术实现要素：

为了克服现有的用于应变测量的光纤传感器，结构复杂、成本高、测量准确度低的缺陷，本申请通过结构的改进，提出了一种更为简易、便捷的基于导光管的位移测量装置，实现对轴向应变的准确测量。

本实用新型提供的基于导光管的位移测量装置，包括导光管、光源、CCD检测模块、以及主控模块；

所述光源和所述CCD检测模块固定在所述导光管中，所述光源发出的光线经所述导光管传输后由所述CCD检测模块接收；

所述主控模块，连接所述光源和所述CCD检测模块，用于控制所述光源和所述CCD检测模块的工作；

工作时，所述CCD检测模块将接收到的光信号转化为图像信息发送至所述主控模块，所述主控模块根据所述光源的配光曲线和所述CCD检测模块发送的图像信息的亮度分布变化，计算所述CCD检测模块的位移量，并将计算结果发送至上位机。

作为一种可实施方式，所述导光管呈封闭式圆柱体结构，其内表面镀有反射膜；

所述光源固定在所述导光管的端部。

作为一种可实施方式，所述光源和所述CCD检测模块均固定在所述导光管的中轴线上。

作为一种可实施方式，所述光源为红外线光源、可见光光源、或近紫外线光源。

作为一种可实施方式，所述光源为单色光源。

作为一种可实施方式，所述光源为恒定光源。

作为一种可实施方式，所述光源包括LED灯和配光透镜；

所述LED灯连接所述主控模块；

所述LED灯发出的光线，经所述配光透镜准直后沿所述导光管传输。

本实用新型相比于现有技术的有益效果在于：

本实用新型提供的基于导光管的位移测量装置，利用CCD检测模块检测到的亮度信息和光源的配光曲线，得到导光管的曲率变化，进一步得到检测端的位移量。其将导光管发生弯曲前后的CCD检测模块检测到的亮度分布的变化信息，对应换算成导光管弯曲后偏移初始中轴位置的距离，计算出导光管的曲率变化，进而得到CCD检测模块所在位置的位移量。本实用新型请提供的基于导光管的位移测量装置，结构简单，成本低，使用方便，能够快速准确地实现对轴向应变位移的测量，而且可适用于强电磁场环境。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的基于导光管的位移测量装置的使用状态示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的基于导光管的位移测量装置的电路连接示意图；

图3为本实用新型实施例提供的导光管发生弯曲而导致的目标端面的亮度分布变化信息一示意图；

图4为本实用新型实施例提供的导光管发生弯曲而导致的目标端面的亮度分布变化信息另一示意图；

图5为本实用新型实施例提供的坐标点的光强变化信息与导光管的弯曲程度对应关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图1和图2，本实用新型实施例一提供的基于导光管的位移测量装置，包括导光管2、光源1、CCD检测模块3、以及主控模块4。

其中，光源1和CCD检测模块3固定在导光管2中，光源1发出的光线经导光管2传输后能够由CCD检测模块3接。主控模块4连接光源1和CCD检测模块3，用于控制光源1和CCD检测模块3的工作。

工作时，光源1发出的光线经导光管2传输后被CCD检测模块3接收，CCD检测模块3将接收到的光信号转化为图像信息发送至主控模块4，主控模块4根据光源1的配光曲线和CCD检测模块3发送的图像信息的亮度分布变化，计算CCD检测模块3的位移量。主控模块4还可以连接上位机，将计算结果发送至上位机进行显示。

本实施例中的光源1为恒定光源1，具有稳定的光强分布，以保证当导光管2发生形变时，在同一个位置的光照强度是相同的，避免因为光源1发光强度变化使测量出现偏差。根据不同使用环境及设备情况，可以采用不同类型的光源1，例如红外线光源1、可见光光源1、或近紫外线光源1等。本实施例中的光源1优选为单色光源1。相比于复合光，单色光在进行折射时的出射角度相同，可以保证在整个导光管2内部的光线分布及亮度变化更加平顺。

进一步地，本实施例中的光源1还可以通过恒流驱动LED灯和配光透镜实现，LED灯连接主控模块4，由主控模块4控制点亮。LED灯发出的光线，经配光透镜的作用后，形成特定的配光曲线，并沿导光管2传输，被CCD检测模块3接收。导光管2通常为圆柱体结构，准直透镜可以使绝大部分光线沿直线传输至CCD检测模块3的光线接收面，使得测量结果更加精准。

本实施例中的导光管2用于提供一光学封闭暗腔，以将外界环境中的光线隔离开来，使CCD检测模块3所接收到光源1发出并由导光管2内表面反射过来的光，得到的测量数据不受干扰，有效降低了测量误差。导光管2可以为封闭式圆柱体结构，为了减少光传输损失，其内表面还可以镀反射膜。

导光管2在外力作用下发生弯曲时，所造成的效果反映在曲率的变化上，将这种变化传递到CCD检测模块3所接收到的光信息上。在较短的距离内，CCD检测模块3接收到的光强会有明显的光强变化。对于一个稳定光源1，光照强度和与光源1之间的距离是一一对应的关系，因此通过读取出光强或亮度分布的变化量，参照光源1的配光曲线，便可由主控模块4计算出CCD检测模块3的偏移位移量，从而得出导光管2偏移原导光管2中轴的位移量，即导光管2的形变位移。本实施例中，光线通过导光管2内表面反射传播，不会受到磁场的干扰，可在强磁场环境下使用。

主控模块4控制光源1和CCD检测模块3的启停。由于光源1的持续性发光和CCD检测模块3的持续工作既浪费能源，同时也会加速零部件的老化。所以将CCD检测模块3和光源1通过主控模块4控制，可以根据设定的频率同时启动进行位移测量，在测量完毕后再由主控模块4控制关闭，以减少闲置运行时间，节约能源，延长设备使用寿命。

本实施例中光源1发出的光沿着导光管2传播，在导光管2的另一端形成一个光强分布，这个分布可以由CCD检测模块3所测得。在光源1不变而导光管2的曲率发生改变时，由CCD检测模块3所检测到的光强分布将发生改变，这种光强分布的改变与导光管2曲率之间存在着良好的对应关系，因此利用CCD检测模块3检测到的亮度分布信息和光源1的配光曲线，可以得到导光管2的曲率变化，进一步可以得到检测端的位移量。将导光管2发生弯曲前后的CCD检测模块3检测到的亮度分布的变化信息，对应换算成导光管2弯曲后偏移初始中轴位置的距离，就可以计算出导光管2的曲率变化，进而得到CCD检测模块3所在位置的位移量。

本申请提供的基于导光管的位移测量装置，结构简单，成本低，使用方便，能够快速准确地实现对轴向应变位移的测量，而且适用于强电磁场环境。

参见图2，作为一种可实施方式，光源1和CCD检测模块3均固定在导光管2的中轴线上，且光源1位于导光管2的一端，CCD检测模块3在导光管2的另一端。CCD检测模块3将光源1发出的光经过导光管2内表面发射后在CCD检测模块3所在位置的亮度分布信息转化成图像和数据两部分，图像作为导光管2偏移中轴的位移区间的判定，数据则反映了光强刚被CCD检测模块3检测到时的初始位置，在数值上可以反映出导光管2发生形变后偏离原导光管2中轴的位移量。

基于同一实用新型构思，本实用新型实施例三还提供一种基于导光管的形变位移测量方法，包括以下步骤：

S100、在导光管中设置一恒定光源，并点亮。

可参照上述实施例一和实施例二的结构，点亮光源，使其发出具有一定亮度的光线，经过导光管内部，顺利到达目标端面。

S200、获取导光管中的目标端面的初始亮度分布信息。

可以在目标端面设置一光学传感器，例如CCD检测装置，接收光线并获取导光管为弯曲时的初始亮度信息。

S300、在导光管发生弯曲后，获取目标端面的变形后的亮度分布信息。

步骤S300的实现步骤同S200。

S400、根据初始亮度分布信息和变形后的亮度分布信息得到由于导光管发生弯曲而导致的目标端面的亮度分布的变化信息。

目标端面设置在导光管与光源异侧的一端，导光管的弯曲也会导致目标端面处的光学传感器发生相应的位移，相应的位移反映在目标面的亮度分布的变化信息里。

S500、根据目标端面的亮度分布的变化信息和恒定光源的配光曲线，计算目标端面的位移。

具体地，步骤S500可通过以下步骤实现：

S510、从根据目标端面的亮度分布的变化信息中提取特征点。特征点可以为拐点，也可以为极值点。

S520、根据特征点的位置和恒定光源的配光曲线，计算导光管的弯曲程度；

S530、根据导光管的弯曲程度得到目标端面的位移。

下面，结合具体实施例，对步骤S500的实现进行说明。

由于函数关系并不是在整个测量区间都是呈单调变化，所以需要先进行一次图像判据。

以偏移40mm为例，偏移位移量在0～60mm区间内，提取光照信息转换为图像，通过归一化处理后的照度分布如图3所示，纵坐标表示照度强度。很明显能看到图中出现两个峰值，当最高峰位于第二高峰左侧时，则所测偏移量区间在0～60mm。

相应的，以偏移位移量150mm为例，偏移位移量在60～200区间内，提取光照信息转换为图像，通过归一化处理后的照度分布如图4所示，纵坐标表示照度强度。显然，与偏移位移量区间0～60mm相比，最高峰出现在第二高峰的右侧，而偏移位移量位于区间60～300mm内。

综上，对于偏移位移量区间的判定，可以描述为图像最高峰与第二高峰的相对位置。当最高峰位于第二高峰的左侧时，则偏移位移量区间在0～60mm。当最高峰出现在第二高峰的右侧时，则偏移位移量位于区间60～200mm。

上一步骤中只判定了偏移位移量所在的区间范围，具体数值没有确定。接下来，计算具体的导光管的弯曲程度。

关于具体的对应关系，首先要确定两个量，第一个是最高峰和第二高峰的相对位置，第二个是图像开始不为零的第一个初始点位置。

参见图5，导光管在0-60mm的弯曲程度时，线性度较好，满足关系式子：

Y＝ax-Y0

其中，Y表示特征点的像素坐标，a由配光透镜和导光管的几何参数确定，Y0为图像开始不为零的第一个初始点位置的像素值，x为导光管上端的偏移量。

在60-200mm的弯曲程度时，线性度较好，满足关系式子：

Y＝Ym-βx

其中，Y表示特征点的像素坐标，β由配光透镜和导光管的几何参数确定，Ym为图像的顶点的像素值，x为导光管上端的偏移量。

具体地，导光管在0-60mm的弯曲程度时，满足关系式子：

Y＝16x-2；

在60-200mm的弯曲程度时，满足关系式子：

Y＝125.8-5.3x

这种函数关系只满足特定的配光曲线，也就是LED光源通过配光透镜出射的光为发散角很小的光源。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。