一种光纤传感器差异补偿系统及方法与流程

文档序号:24024252发布日期:2021-02-23 12:44
一种光纤传感器差异补偿系统及方法与流程

本发明涉及传感器技术领域,尤其涉及一种光纤传感器差异补偿系统及方法。



背景技术:

光纤传感器技术是伴随着光导纤维及光纤通讯技术发展而出现的一种崭新的传感技术,随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究,光纤传感技术也得到了快速发展。与传统的传感器相比,光线传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性、防爆、结构简单、体积小以及重量轻等一系列独特的优点,因此,有极好的应用前景,在航空、航天、航海、核工业、电力、医疗、石化、矿山、冶金等行业有着广泛的应用。

光纤传感器的基本原理是光源发射光线通过光纤传输,经过待测物理量引起光纤中的传输光的光强变化,探测器接收到光线,通过检测光强的变化实现对待测物理量的测量。

然而,因为光纤传感器采用光强作为信息的载体,所以不可避免地会受到光源功率波动、光纤传输损耗变化等因素的影响,所以要获得高精度和高稳定性的测量,必须采取有效措施克服这种影响。

同时,光纤传感器在生产过程中也会产生一定差异,即从光源到探测器的光路产生的损耗不一致,这种差异导致在光源输出功率相同,经过同样地待测物理量,探测器端输出却不同。探测器的输出不同,不便于电路处理、数据采集和算法计算,导致产品品质、一致性、稳定性均存在差异,进而容易带来风险。

上述背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案,其并不必然属于本专利申请的现有技术,在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下,上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种光纤传感器差异补偿系统及方法,以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。

为达到上述目的,本发明实施例的技术方案是这样实现的:

一种光纤传感器差异补偿系统,包括光纤传感器、分别与光纤传感器连接的补偿单元和检测单元、以及控制与处理单元;其中,所述光纤传感器包括有光纤、光源、以及光感;所述补偿单元与光纤传感器的光源连接,以对光源进行补偿;所述检测单元与光纤传感器的光感连接,以用于接收光感输出值并将所述光感输出值传输至控制与处理单元;所述控制与处理单元用于将所述光感输出值与标准输出值进行比较,根据比较结果控制所述补偿单元对光纤传感器的光源进行调节补偿,以使得光感输出值与标准输出值保持一致。

在一些实施例中,所述补偿单元包括有光源驱动电路以及与光源驱动电路连接的光源功率调节电路;其中,所述光源驱动电路连接光纤传感器的光源;所述光源功率调节电路连接控制与处理单元。

在一些实施例中,所述检测单元包括有光感检测电路以及与光感检测电路连接的模数转换器;其中,所述光感检测电路连接光纤传感器的光感,接收光感的输出,通过模数转换器处理后将光感输出传输至控制与处理单元。

在一些实施例中,所述控制与处理单元还连接有存储单元,预先将标准输出值存储于存储单元中,控制与处理单元接收到光感输出值后读取存储单元中的标准输出值,并将光感输出值与所述标准输出值进行比较,根据比较结果输出控制指令,以对补偿单元进行控制。

在一些实施例中,所述控制与处理单元还连接有显示单元,通过显示单元对光感输出值进行实时显示。

在一些实施例中,所述光纤传感器包括有形变感应层、设置于形变感应层的光纤、光源、以及光感。

在一些实施例中,所述光纤传感器的形变感应层上布置有复数个网孔;其中,形变感应层的内表面凹陷设置有凹型空间,凹型空间内设置有凸棱。

在一些实施例中,所述形变感应层的外表面设置有增敏结构,所述增敏结构包括复数个间隔设置的凸点,所述凸点设置在形变感应层外表面上对应于所述凸棱的位置处。

本发明实施例另一技术方案为:

一种光纤传感器差异补偿方法,包括如下步骤:

S10、预先设定光纤传感器的光感标准输出值,并将其存储于存储单元中;

S20、通过与光纤传感器的光感连接的检测单元接收光感输出值并将所述光感输出值传输至控制与处理单元;

S30、控制与处理单元用于将所述光感输出值与标准输出值进行比较,根据比较结果控制补偿单元对光纤传感器的光源进行调节补偿,以使得光感输出值与标准输出值保持一致。

在一些实施例中,所述检测单元包括有光感检测电路以及与光感检测电路连接的模数转换器,所述光感检测电路连接光纤传感器的光感,接收光感的输出,通过模数转换器处理后将光感输出传输至控制与处理单元;所述补偿单元包括有光源驱动电路以及与光源驱动电路连接的光源功率调节电路,所述光源驱动电路连接光纤传感器的光源,所述光源功率调节电路连接控制与处理单元。

本发明技术方案的有益效果是:

相较于现有技术,本发明光纤传感器差异补偿系统及方法可避免生产过程中的差异而导致最终成品的一致性差的问题,可以提高产品的成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例光纤传感器差异补偿系统的原理框图。

图2是根据本发明另一个实施例光纤传感器差异补偿系统的原理框图。

图3是根据本发明一个实施例光纤传感器差异补偿系统的光纤传感器的立体示意图。

图4是图3实施例无光纤时的立体示意图。

图5是图3实施例的另一视角立体示意图。

图6是根据本发明光纤传感器差异补偿系统的另一种光纤传感器的示意图。

图7是图6实施例的光纤传感器的立体示意图。

图8是图7实施例的光纤传感器的分解图。

图9是图7实施例的光纤传感器另一视角立体图示。

图10是沿图9中A-A向的剖面视图。

图11为本发明实施例光纤传感器差异补偿系统的光纤传感器的凸点以及凸棱与光纤的受力示意图。

图12是根据本发明另一个实施例光纤传感器差异补偿方法的流程图示。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外,连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。

此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供的一种光纤传感器差异补偿系统通过将光纤传感器的光感输出值与标准输出值进行比较,根据比较结果产生控制指令对光纤传感器的光源进行控制,从而改变光感输出值,使得光感输出值与标准输出值保持一致,确保光纤传感器产品的一致性、稳定性得到提高,进而提高光纤传感器的成品率。

参照图1-3所示,作为本发明一实施例一种光纤传感器差异补偿系统,包括光纤传感器、分别与光纤传感器连接的补偿单元和检测单元、以及控制与处理单元;其中,所述光纤传感器包括有光纤、光源、以及光感;所述补偿单元与光纤传感器的光源连接,以对光源进行补偿;所述检测单元与光纤传感器的光感连接,以用于接收光感输出值并将所述光感输出值传输至控制与处理单元;所述控制与处理单元用于将所述光感输出值与标准输出值进行比较,根据比较结果控制所述补偿单元对光纤传感器的光源进行调节补偿,以使得光感输出值与标准输出值保持一致。

具体的,参照图1所示,所述补偿单元包括有光源驱动电路以及与光源驱动电路连接的光源功率调节电路;其中,所述光源驱动电路连接光纤传感器的光源;所述光源功率调节电路连接控制与处理单元。

所述检测单元包括有光感检测电路以及与光感检测电路连接的模数转换器;其中,所述光感检测电路连接光纤传感器的光感,接收光感的输出,通过模数转换器处理后将光感输出传输至控制与处理单元。

在一些实施例中,所述控制与处理单元还连接有存储单元,预先将标准输出值存储于存储单元中,控制与处理单元接收到光感输出值后读取存储单元中的标准输出值,并将光感输出值与所述标准输出值进行比较,根据比较结果输出控制指令,以对补偿单元进行控制。其中,所述存储单元可以是ROM(Read Only Memory)程序存储器、RAM(Random Access Memory)随机访问存储器、Flash存储器等,在本发明实施例中不作特别限制。

在一些实施例,所述控制与处理单元还连接有显示单元,通过显示单元对光感输出值进行实时显示。

参照图2所示,作为另一实施例光纤传感器差异补偿系统,所述光纤传感器差异补偿系统通过外部检测模块检测光纤传感器是否有差异产生,若有差异,则通过交互端口交互发送控制指令至控制与处理单元,由控制与处理单元控制补偿单元对光源进行补偿。具体地,光纤传感器差异补偿系统包括有外部检测模块,所述控制与处理单元连接有交互端口,所述外部检测模块包括有外部交互端口、外部处理器以及显示单元;光纤传感器的光感输出值通过交互端口传输至外部检测模块,外部检测模块通过外部处理器将光感输出值与标准输出值进行比较,根据比较结果通过外部交互端口发送控制指令至控制与处理单元,由控制与处理单元根据控制指令对补偿单元进行控制。

具体的,光纤传感器生产过程中,预先设置光纤传感器光感的标准输出值,控制与处理单元将光感输出值通过交互端口与外部检测模块的外部交互端口传输至外部检测模块的外部处理器,外部处理器将光感输出值与预设的标准输出值进行比较,根据比较结果产生控制指令并通过外部交互端口将所述控制指令传输至控制与处理单元,控制与处理单元根据控制指令控制光源调节电路,以调整光源的发光功率,进而改变调整光感输出值,使得光感输出值保持与标准输出值相等,从而提升光纤传感器产品的一致性。在一些实施例中,所述显示器用于实时显示光感输出值等相关信息。

因为传感器生产过程中会产生一定差异,即从光源到光感的光路产生的损耗不一致,这种差异体现在光源输出功率相同,光感的输出却不同。光感输出不同,不便于电路处理、数据采集和算法计算,这会给产品品质、一致性、稳定性带来风险。通过光源功率调节电路调节光源的电流而改变光源的发光功率,从而可提升产品品质的成品率。具体地,可以通过如下方式进行调节:组装好若干光纤传感器,确定光感标准输出值为A(假设标准输出值A正比与光源发光功率);通过补偿单元对光源进行调节,将光感输出值大于A的光纤传感器的光源发光功率减小;而将光感输出值小于A的光纤传感器的光源发光功率增大。从而得到一致的光纤传感器产品,提高了光纤传感器的成品率。

参照图3-图5所示,所述光纤传感器包括形变感应层10以及光纤11;具体的,所述形变感应层10上布置有复数个网孔101;其中,形变感应层10的内表面凹陷设置有凹型空间102,凹型空间102内设置有凸棱103;形变感应层10的外表面设置有增敏结构,所述增敏结构包括复数个间隔设置的凸点105,所述凸点105设置在形变感应层10外表面上对应于所述凸棱103的位置处;所述光纤11呈弯曲状放置于所述凹形空间内的凸棱103上,光纤11的两端通过形变感应层10内侧设置的线槽104固定并向外延伸。可以理解的是,所述增敏结构并不仅限于采用凸点的结构,其他的便于增加传感器灵敏度的结构也可以,在本发明实施例中不一一例举描述。

通过于形变感应层10上设置复数网孔101,使得形变感应层10整体构成一网状结构,同时,通过在形变感应层10内表面设置凹型空间102,减小形变感应层10的厚度,从而增加了形变感应层10的弹性,进一步提升了光纤传感器100的灵敏度。另外,通过设置凹型空间102,将凸棱103设置于凹型空间102内,便于光纤传感器的小型化设计。在本实施例中,所述网孔101呈椭圆形,可以理解的是,在一些实施例中,所述网孔101也可以为其他不不规则形状,在本发明实施例中不做特别限制,无论采取何种形状,只要不脱离本发明创作的主旨,均因属于本发明保护的范围。

所述凸棱103被设置成排布于多个网孔101之间的直线条状,凸棱103的截面为三角形,使得光纤11放置于凸棱103上时,光纤11与凸棱103的接触面积最小,从而以保证受到外界压力时,光纤11上单位面积受到的压强最大,即增强了光纤传感器的灵敏度。在本发明实施例中,凸棱103的高度被设置为与凹型空间102的凹陷深度存在一差值,所述差值与光纤11的直径相等,从而使得光纤11放置于凸棱103上时,可保持与感应层内表面所在的平面平齐。可以理解的是,在一些实施例中,所述凸棱103也可以设置成排布于多个网孔101之间的弯曲的条状。

本发明实施例光纤传感器应用时,在所述形变感应层10的表面贴覆有包覆层,所述包覆层为柔性材质,如软垫等。参照图8所示,以软垫122为例进行说明,其中,假设压力F均匀分布在软垫122上,由于凸点105的存在,凸点105周围的软垫122将会拱起形成间隙,间隙上方对应区域的压力将会聚集在凸点105上,凸点105承受压力将会大大增加。通过增加凸点结构,改变了形变感应层10的压力分布,增大光纤11和凸棱103交汇点区域的压力,减小其他区域的压力。同时,通过将凸棱103设置成截面为三角形的结构,而减小了光纤与凸棱接触点的面积,从而增加了接触点出光纤的受到的压强,进而增强了传感器的灵敏度。

为了便于说明,本发明实施例中以形变感应层呈方形为例进行说明,需要说明的是本发明并不对形变感应层的形状作任何限制,可以为方形或者其他任何不规则形状。

参照图6-11所示为双层感应层的结构,作为本发明一实施例光纤传感器200,所述光纤传感器200包括有两层形变感应层20,21以及光纤22;具体的,所述形变感应层包括第一形变感应层20以及第二形变感应层21;其中,第一形变感应层20上布置有复数个第一网孔201;第一形变感应层20的内侧凹陷设置有凹型空间202,所述凸棱203设置于凹型空间202内;第一形变感应层20的外表面设置有增敏结构,所述增敏结构包括复数个间隔设置的凸点205,所述凸点205设置在第一形变感应层20外表面上对应于所述凸棱203的位置处。第一形变感应层20的内侧一端设置有线槽204,以用于固定所述光纤22。

所述第二形变感应层21的尺寸大小与第一形变感应层20一致,以确保两者安装于一起后可完全重合形成一个完整的整体。第二形变感应层21上布置有复数个第二网孔211;第二形变感应层21的内侧凹陷设置有凹型空间(未图示),所述凸棱213设置于凹型空间内;第二形变感应层21的外表面设置有增敏结构,所述增敏结构包括复数个间隔设置的凸点215,所述凸点215设置在第二形变感应层21外表面上对应于所述凸棱213的位置处。第二形变感应层21的内侧一端设置有线槽,以用于固定所述光纤22。

所述光纤22呈不规则形状弯曲并安装于第一形变感应层20与第二形变感应层21之间,光纤22的两端通过第一、第二形变感应层上的线槽固定并向外延伸。在本实施例中,所述凸棱203,213的高度被设置为与凹型空间的凹陷深度存在一差值,所述差值与光纤的二分之一直径相等,从而,当第一形变感应层与第二形变感应层安装于一起时,使得光纤可以紧紧的抵接第一、第二形变感应层上的凸棱203,213,并紧密安装固定于第一形变感应层20与第二形变感应层21之间。

参照图7-图11所示,在本实施例中,所述第一、第二形变感应层20,21安装配合于一起时,所述第一形变感应层20上的凸点205和凸棱203与所述第二形变感应层上21的凸点215和凸棱213呈交错排布设置;其中,所述第一形变感应层20上的凸棱203与所述第二形变感应层21上的网孔211相对应,相应地,所述第一形变感应层20上的网孔201与所述第二形变感应层21上的凸棱213相对应。

参照图6所示,还包括PCB电路板70,其中,光源4通过结构件500连接PCB电路板,光感60通过结构件500连接PCB电路板;在本实施例中,所述光纤22呈多折弯曲结构,其被设置于所述第一形变感应层20与第二形变感应层21之间。其中,第一形变感应层20和第二形变感应层21设置有增敏结构的一面与外界接触,而设置有凸棱203,213的一面通过凸棱203,213与光纤22接触。当外界的形变或者压力作用于增敏结构的凸点205,215时,引起第一形变感应层20和/或第二形变感应层21的形变,通过第一形变感应层20和/或第二形变感应层21的凸棱203,213进而将形变传导到光纤22上,使得光纤22产生微弯变形,出现光功率损耗,通过信号检测器探测所述光功率损耗并转化为电信号,对所述电信号进行处理以获取到外界的变化参量。

参照图10所示,相对于单层感应层的结构,双层感应层结构中,光纤22的两侧被配置成交错间隔接触到凸棱203,213,光纤22与凸棱的接触点密集,从而大大提高了光纤传感器的灵敏度以及测试精度。

参照图12所示,作为本发明另一实施例,还提供一种光纤传感器差异补偿方法,方法包括如下步骤:

S10、预先设定光纤传感器的光感标准输出值,并将其存储于存储单元中;

具体的,预先组装好多个光纤传感器,根据多个光纤传感器的光感输出值确定光感标准输出值。

S20、通过与光纤传感器的光感连接的检测单元接收光感输出值并将所述光感输出值传输至控制与处理单元;

其中,所述检测单元包括有光感检测电路以及与光感检测电路连接的模数转换器;其中,所述光感检测电路连接光纤传感器的光感,接收光感的输出,通过模数转换器处理后将光感输出传输至控制与处理单元。

S30、控制与处理单元用于将所述光感输出值与标准输出值进行比较,根据比较结果控制补偿单元对光纤传感器的光源进行调节补偿,以使得光感输出值与标准输出值保持一致。

其中,所述补偿单元包括有光源驱动电路以及与光源驱动电路连接的光源功率调节电路;其中,所述光源驱动电路连接光纤传感器的光源;所述光源功率调节电路连接控制与处理单元。

需要说明的是,本实施例监测方法采用前述任一实施例技术方案的光纤传感器差异补偿系统来实现,所以具体实施方法参照前述实施例方案中的描述,在此不再赘述。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质,计算机刻度存储介质存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例方案的光纤传感器差异补偿方法。所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。

本发明的实施例可以包括或利用包括计算机硬件的专用或通用计算机,如下面更详细讨论的。在本发明的范围内的实施例还包括用于携带或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理和其他计算机可读介质。这样的计算机可读介质可以是可以被通用或专用计算机系统访问的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读介质是物理存储介质。携带计算机可执行指令的计算机可读介质是传输介质。因此,作为示例而非限制,本发明的实施例可以包括至少两种截然不同的计算机可读介质:物理计算机可读存储介质和传输计算机可读介质。

本申请实施例还提供一种计算机设备,所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其中,所述处理器执行所述计算机程序时至少实现前述实施例方案中所述的光纤传感器差异补偿方法。

可以理解的是,以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中,参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点,但应当理解,在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下,可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外,本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解,可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此,所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

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