一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法。本發(fā)明采取方案為：具有兩個(gè)不同結(jié)深的色敏元件對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的響應(yīng)特性，將光學(xué)位移傳感器的輸出信號(hào)——窄帶衍射光輸入色敏元件，色敏元件會(huì)輸出兩路響應(yīng)電流，利用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路對(duì)其進(jìn)行處理，得到兩路電流比值的對(duì)數(shù)，輸出為與波長(zhǎng)呈線性關(guān)系的解調(diào)電壓，利用A/D轉(zhuǎn)換器將解調(diào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量導(dǎo)入計(jì)算解調(diào)模塊，對(duì)解調(diào)電壓進(jìn)行插值預(yù)算可以得到位移信息，實(shí)現(xiàn)位移傳感器位移監(jiān)測(cè)。本發(fā)明體積小，重量輕，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，可以對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)，可以加入溫度補(bǔ)償電路，較其它解調(diào)方案具有更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是涉及一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光傳飛控技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)位移傳感器的研究不斷深入，光學(xué)位移傳感器輸出信號(hào)的解調(diào)成為研究重點(diǎn)，光學(xué)位移傳感器的輸出是中心波長(zhǎng)與傳感器位移呈線性關(guān)系的窄帶衍射光，解調(diào)任務(wù)便是求得中心波長(zhǎng)，進(jìn)而求得傳感器位移。目前研究中，求取波長(zhǎng)大都利用光譜儀將光譜信息讀入計(jì)算機(jī)，后利用軟件對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到中心波長(zhǎng)，這種方法可以用于實(shí)驗(yàn)室研究，也滿足一般精度需求，但若要在飛機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用則存在不可克服的問(wèn)題:機(jī)上控制系統(tǒng)一般要求響應(yīng)頻率在IOOHz以上，而光譜儀為積分型光學(xué)儀器，需對(duì)光信號(hào)先積分再處理，若想取得高分辨率，則必須增大采集數(shù)據(jù)量，這就導(dǎo)致在數(shù)據(jù)的傳輸及處理過(guò)程中耗費(fèi)的時(shí)間急劇增加，完成以上積分、采集、傳輸、處理的過(guò)程通常需要20?40ms，這樣就無(wú)法獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性；飛機(jī)設(shè)備要求體積小，重量輕，而光譜儀本身體積及重量較大，視不同型號(hào)而異，一般均在300g以上；光譜儀工作離不開(kāi)計(jì)算機(jī)及其操作系統(tǒng)，勢(shì)必增加系統(tǒng)體積及復(fù)雜程度；光譜儀無(wú)法在高低溫、振動(dòng)及灰塵等外界惡劣條件下使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法，使用一個(gè)色敏元件及一塊對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路板即可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)測(cè)試，其體積小，重量輕，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，可以對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)，具有溫度補(bǔ)償線路，較其它解調(diào)方案具有更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。
[0004]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法，利用到一個(gè)光學(xué)位移傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，所述解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的色敏元件2、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3、A/D轉(zhuǎn)換器4、計(jì)算解調(diào)模塊5，包括以下步驟:
[0005]步驟一:光學(xué)位移傳感器I輸出窄帶衍射光至色敏元件2 ；
[0006]步驟二:窄帶衍射光激發(fā)色敏元件2，產(chǎn)生兩路響應(yīng)電流Ip I2 ；
[0007]步驟三:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3對(duì)I1U2進(jìn)行處理，得到I1U2比值的對(duì)數(shù)，放大I?4倍，以電壓值的形式輸出至A/D轉(zhuǎn)換器4 ；
[0008]步驟四:A/D轉(zhuǎn)換器4將電壓值轉(zhuǎn)換為解調(diào)電壓的數(shù)字量，輸入到計(jì)算解調(diào)模塊5 ；
[0009]步驟五:計(jì)算解調(diào)模塊5對(duì)解調(diào)電壓的數(shù)字量進(jìn)行插值預(yù)算，得到位移信息，完成解調(diào)。
[0010]如果光學(xué)位移傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)還包括一個(gè)溫度補(bǔ)償模塊6，則在步驟二和步驟三之間增加一個(gè)步驟:溫度補(bǔ)償模塊6感應(yīng)色敏元件2的溫度變化，并將感應(yīng)結(jié)果以電壓信號(hào)V輸入至對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3 ;并且步驟三隨之調(diào)整為:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3對(duì)Ip I2進(jìn)行處理，得到IpI2比值的對(duì)數(shù)后與V進(jìn)行差值運(yùn)算，以電壓值的形式輸出至A/D轉(zhuǎn)換器4。
[0011]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:本發(fā)明是一種基于色敏元件的色敏特性制成的對(duì)光學(xué)位移傳感器實(shí)現(xiàn)快速解算的解調(diào)方法，其優(yōu)點(diǎn)如下:
[0012]I)適當(dāng)光強(qiáng)下，色敏元件及解調(diào)線路對(duì)輸入信號(hào)光的相應(yīng)可以達(dá)到600Hz以上，滿足一般伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需求。
[0013]2)體積小，單塊PCB可以連接多個(gè)色敏元件，同時(shí)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)處理，兩只色敏元件及其處理線路的重量可以輕松控制在IOOg以?xún)?nèi)；
[0014]3)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，色敏解調(diào)方案不需要windows操作系統(tǒng)平臺(tái)及軟件支持，僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)處理；
[0015]4)較光譜儀具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，色敏解調(diào)線路內(nèi)部沒(méi)有精密光學(xué)元件，可以在振動(dòng)及灰塵條件下使用，并可加入溫度傳感器對(duì)溫度變化的影響進(jìn)行補(bǔ)償。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是光學(xué)位移傳感器新型解調(diào)方法的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0017]圖2是添加溫度補(bǔ)償模塊的光學(xué)位移傳感器新型解調(diào)方法的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0018]圖3是光位移在某一位置時(shí)輸出窄帶衍射光的波長(zhǎng)與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。
[0019]圖4是利用插值預(yù)算求解位移的示意圖。
[0020]其中:1:光學(xué)位移傳感器，2:色敏元件，3:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路，4:A/D轉(zhuǎn)換器，5:計(jì)算解調(diào)模塊，6:溫度傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，請(qǐng)參閱圖1至圖4。
[0022]一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法，利用到一個(gè)光學(xué)位移傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，所述解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的色敏元件2、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3、A/D轉(zhuǎn)換器4、計(jì)算解調(diào)模塊5，包括以下步驟:
[0023]步驟一:光學(xué)位移傳感器I輸出中心波長(zhǎng)隨位移線性變化的窄帶衍射光，由光纖傳導(dǎo)至色敏元件2 ；
[0024]步驟二:窄帶衍射光激發(fā)色敏元件2，產(chǎn)生兩路響應(yīng)電流Ip I2，根據(jù)色敏元件2對(duì)入射光的響應(yīng)特性，其兩路輸出電流Ip I2的比值的對(duì)數(shù)與入射光波長(zhǎng)呈正比關(guān)系；
[0025]步驟三:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3對(duì)I1U2進(jìn)行處理，得到I1U2比值的對(duì)數(shù)，放大I?4倍，以電壓值的形式輸出至A/D轉(zhuǎn)換器4 ；
[0026]步驟四:A/D轉(zhuǎn)換器4將解調(diào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入到計(jì)算解調(diào)模塊5 ；
[0027]步驟五:計(jì)算解調(diào)模塊5對(duì)解調(diào)電壓的數(shù)字量進(jìn)行處理，利用提前測(cè)好的位移X與電壓U的對(duì)應(yīng)數(shù)組，對(duì)解調(diào)電壓進(jìn)行插值運(yùn)算即可得到傳感器位移信息，完成解調(diào)。
[0028]優(yōu)選地，如果光學(xué)位移傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)還包括一個(gè)溫度補(bǔ)償模塊6如圖2所示，溫度補(bǔ)償模塊6位于色敏元件2旁邊，用于感應(yīng)色敏元件2的溫度變化，并將感應(yīng)結(jié)果輸入至對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3進(jìn)行處理之后，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，則在步驟二和步驟三之間增加一個(gè)步驟:溫度補(bǔ)償模塊6感應(yīng)色敏元件2的溫度變化，并將感應(yīng)結(jié)果以電壓信號(hào)V輸入至對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3 ;并且步驟三隨之調(diào)整為:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路3對(duì)I1U2進(jìn)行處理，得到I1U2比值的對(duì)數(shù)后與V進(jìn)行差值運(yùn)算，以電壓值的形式輸出至A/D轉(zhuǎn)換器4。
[0029]實(shí)施例
[0030]某實(shí)施例具體如下:
[0031]步驟一:光學(xué)位移傳感器位于某一位置時(shí)，產(chǎn)生窄帶衍射光，光譜如圖3所示，中心波長(zhǎng)大致為724nm，由光纖傳導(dǎo)至色敏元件；
[0032]步驟二:窄帶衍射光輸入色敏元件WS7.56，激發(fā)色敏元件產(chǎn)生兩路感應(yīng)電流I1及I2，分別為 0.32mA 及 0.1mA ；
[0033]步驟三:選取溫度傳感器LM35置于色敏元件WS7.56旁邊，距離2mm以?xún)?nèi)，感應(yīng)色敏元件WS7.56的溫度變化，并以電壓V的形式輸入對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路，溫度25°C時(shí)，此電壓值為
0.04mV ；
[0034]步驟四:將兩路感應(yīng)電流Ip I2導(dǎo)入對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路，經(jīng)對(duì)數(shù)放大器L0G102求得電流比值的對(duì)數(shù)并放大4倍，得到電壓值為2.021V,后與V進(jìn)行差值運(yùn)算，得到解調(diào)電壓U0為
1.981V，輸出計(jì)入溫度影響的解調(diào)電壓U0至A/D轉(zhuǎn)換器；
[0035]步驟五:解調(diào)電壓U0經(jīng)NI公司的AD6008采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入到DSP ；
[0036]步驟六:DSP接收解調(diào)電壓U0后，利用提前測(cè)好的位移X與電壓U的對(duì)應(yīng)數(shù)組，對(duì)解調(diào)電壓進(jìn)行插值運(yùn)算即可得到傳感器位移信息，例如圖4所示，解調(diào)電壓U0在數(shù)組U中在1.903V、2.078V之間，在點(diǎn)1.903V，40mm及2.078V，42mm之間進(jìn)行線性插值運(yùn)算即可得到位移\為40.89mm，此時(shí)完成解調(diào)。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法，利用到一個(gè)光學(xué)位移傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，所述解調(diào)系統(tǒng)包括順次連接的色敏元件(2)、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路(3)、A/D轉(zhuǎn)換器(4)、計(jì)算解調(diào)模塊(5)，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:光學(xué)位移傳感器I輸出窄帶衍射光至色敏元件(2)； 步驟二:窄帶衍射光激發(fā)色敏元件2，產(chǎn)生兩路響應(yīng)電流Ip I2 ； 步驟三:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路(3)對(duì)Ip I2進(jìn)行處理，得到Ip I2比值的對(duì)數(shù)，放大I?4倍，以電壓值的形式輸出至A/D轉(zhuǎn)換器(4)； 步驟四:A/D轉(zhuǎn)換器(4)將電壓值轉(zhuǎn)換為解調(diào)電壓的數(shù)字量，輸入到計(jì)算解調(diào)模塊(5); 步驟五:計(jì)算解調(diào)模塊(5)對(duì)解調(diào)電壓的數(shù)字量進(jìn)行插值預(yù)算，得到位移信息，完成解調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)位移傳感器的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方法，其特征在于，如果光學(xué)位移傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)還包括一個(gè)溫度補(bǔ)償模塊6，則在步驟二和步驟三之間增加一個(gè)步驟:溫度補(bǔ)償模塊6感應(yīng)色敏元件(2)的溫度變化，并將感應(yīng)結(jié)果以電壓信號(hào)V輸入至對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路(3);并且步驟三隨之調(diào)整為:對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換線路(3)對(duì)Ip I2進(jìn)行處理，得到1:、I2比值的對(duì)數(shù)后與V進(jìn)行差值運(yùn)算，以電壓值的形式輸出至A/D轉(zhuǎn)換器(4)。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103808266SQ201210451927
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】王東輝, 張兵, 韓志華, 吳忠, 張超, 李秉實(shí), 包艷, 鄭普超 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第六一八研究所