光纖位移傳感器在PET瓶胚壁厚測量中的應用研究

曹育良，韓家廣,2*，熊顯名

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院 廣西高校光電信息處理重點實驗室， 桂林 541004; 2.天津大學 精密儀器與光電子工程學院 光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300072)

引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，對各種各樣傳感器的需求也越來越大，加之現(xiàn)代自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，對傳感器的精度也提出了更高的要求。和傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器因為高靈敏度、高精度、抗磁干擾性、耐腐蝕低損耗等優(yōu)勢，使其有了非常好的應用前景[1]。目前對于光纖傳感器的研究國內(nèi)外已經(jīng)有很多，現(xiàn)在大都只使用了線性度很好的前坡區(qū)，測量范圍小。其實，后坡區(qū)有著比較大的測量范圍，測量精度完全可以滿足某些特定場合需求。

聚對苯二甲酯乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)瓶子已經(jīng)是人類日常生活中最主要的飲料包裝形式，在PET瓶胚生產(chǎn)制造過程中瓶胚的質(zhì)量直接關系到后續(xù)加工的質(zhì)量[2]，衡量PET瓶胚質(zhì)量中最關鍵的指標之一就是PET瓶胚的壁厚以及均勻度。當前工廠所使用的測量工具大多數(shù)是用特制游標卡尺進行直接測量，這一方法效率低下，同時人為誤差非常大。

本文中則是將光纖位移傳感器應用到PET瓶胚壁厚的測量中，利用光纖位移傳感器良好的測量特性來實現(xiàn)對PET瓶胚壁厚的測量。作者首先對光纖位移傳感器的基本工作原理進行簡單分析，然后對PET瓶胚進行了數(shù)學建模，驗證了光纖位移傳感器在測量PET瓶胚中應用的可行性，進一步對光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)進行改進，成功實現(xiàn)光纖位移傳感器了在PET瓶胚測量中的應用。

1 反射式光纖位移傳感器工作原理

反射式光纖位移傳感器的基本工作原理如圖1所示 。根據(jù)反射式光纖位移傳感器原理可知，接收光纖接收的光強大小隨光纖探頭與被測物體之間距離的變化而變化[3-8]。因此，光纖探頭到被測表面之間的位移信號就可以通過測量接收光纖中光強大小來確定。

Fig.1 Basic principle of a reflective optical fiber displacement sensor

Fig.2 Output characteristic curve of a fiber optic displacement sensor

圖2為光纖位移傳感器的特性曲線。從曲線可以看到，其特性曲線不是單調(diào)曲線，存在峰值和死區(qū)。這里定義峰值以左為前坡區(qū)，峰值以右為后坡區(qū)；前坡區(qū)與后坡區(qū)單調(diào)性都有良好的線性度；前坡區(qū)量程小、測量精度高，后坡區(qū)量程大、測量精度相對較低。

2 反射式光纖位移傳感器在PET瓶胚應用中建模

根據(jù)反射式光纖位移傳感器的特性，應用在PET瓶胚壁厚測量時需要建立物理模型：根據(jù)測量要求光纖探頭要貼緊PET瓶胚外壁，光透過PET外瓶壁到達內(nèi)瓶壁，經(jīng)過內(nèi)瓶壁反射后再回到光纖探頭。因此，可以通過追跡傳輸過程中的特定光線來建立光學模型。

PET瓶胚屬于空心圓柱，當光纖探頭對PET瓶胚進行測量時，需要建立沿瓶頸方向(見圖3a)(fiber 1為出射光纖，fiber 2為接收光纖)和垂直瓶頸方向(見圖3b)這兩個方向的模型。根據(jù)反射式光纖位移傳感器理論，接收光纖接收的光強為出射光纖經(jīng)過被測物體反射后形成的光錐在到達接收光纖端面時與接收光纖相交部分對應的光強。通過追跡光線，可以確定反射光錐到達接收光纖端面所在平面時橢圓光斑的長軸長O1E和短軸長O1C1。當反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)確定時，即出射光纖纖芯半徑r1、數(shù)值孔徑(numerical aperture，NA)dNA1，接收光纖纖芯半徑r2、數(shù)值孔徑dNA2，以及出射光纖與接收光纖間距a這些參量確定，同時被測PET瓶胚型號確定時，瓶子的折射率n1、瓶胚外徑R等參量確定，此時橢圓光斑長軸長和短軸長只與PET瓶胚壁厚d有關，即橢圓光斑面積只與d有關。隨著d的變化接收光纖中能接收到的光強將出現(xiàn)以下幾個臨界值，如圖4a所示，剛好有光能進入接收光纖；如圖4b所示，光能進入接收光纖被其接收；如圖4c所示，此時接收光纖接收到的光強達到最大值。在此之后接收光纖接收到的光強占出射光纖總光強之比F可以表示為F=S1/S2,其中S1=πr22為接收光纖面積，S2=πO1C1×O1E為反射光錐面積，O1C1和O1E均是出射光纖半徑r1、瓶壁厚度d、瓶子折射率n1、出射光纖數(shù)值孔徑dNA1的函數(shù)，當瓶胚型號、光纖型號確定，即r1,n1,dNA1確定，S1為定值，S2只與瓶壁厚度d有關，即F只與d有關。由于公式過于復雜，將F表示為F=g(d)，同時從光源與探測器角度出發(fā)，F(xiàn)也可以表示為F=kI1/I，k為常數(shù)，I1為探測器探測到的光強，I為光源發(fā)出的光強。從而建立了瓶壁厚度d與探測器接收光強I1之間的關系，表示為I1=φ(d)或者d=φ-1(I1)。

Fig.3 Section diagram

Fig.4 Relationship between receiving optical fiber and illuminating light cone

Fig.5 3mm～4mm output characteristic curve

被測PET瓶胚壁厚在3.5mm左右，對應本文中測量所用反射式光纖位移傳感器的后坡區(qū)，通過MATLAB對3.5mm附近進行模擬得到如圖5所示曲線。圖中橫軸為瓶胚壁厚d，縱軸為調(diào)制比例F，可以看出：在3mm～4mm這個范圍曲線線性度比較好，由于調(diào)制比例的數(shù)值比較小，因此，在測量時需要選用功率較大的激光器光源以及靈敏度比較高的光電二極管。

3 反射式光纖位移傳感器設計研究

3.1 反射式光纖位移傳感器電路設計研究

本電路中光源選用光功率為20mW、波長為850nm的激光器為光源[9-22]。光源發(fā)出的光經(jīng)過出射光纖傳輸?shù)竭_被測面，再由被側(cè)面反射進入接收光纖達到PIN光電二極管(本文中選用西門子BPX65型號的PIN光電二極管)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后光信號變成光電流信號，由斬波穩(wěn)零精確運算放大器ICL7650S將光電流進行電流/電壓轉(zhuǎn)換并進行一級放大，高精度運放OP07進行二級放大，在通過由OP07組成的巴特沃斯低通濾波電路對噪聲進行濾除，經(jīng)過ADS1115組成的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將信號傳回微控制器通過信號處理最終輸出瓶胚壁厚d,如圖6、圖7 所示。

Fig.6 Photoelectric conversion and amplifying circuit

Fig.7 Filter circuit

3.2 光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)設計

由于PET瓶胚外表面也存在反射，如果不對光纖探頭進行結(jié)構(gòu)改進將嚴重影響測量結(jié)果，本設計利用光纖位移傳感器的死區(qū)將外表面反射忽略，出射光纖和入射光纖均選取纖芯半徑為0.5mm，數(shù)值孔徑為0.5的塑料光纖，在測量厚度為3.5mm型號的PET瓶胚(外徑為11mm)時光纖端面與PET瓶胚外表面之間的最大距離約為0.012mm，根據(jù)死區(qū)計算公式d0=a/(2tanθ)(d0為死區(qū)截止位移,如圖2所示)可以算出，只要a>0.014mm就可以使外表面反射的光無法進入接收光纖。本文中采用光纖包層均為0.25mm，對應a=1.5mm，因此完全滿足了設計要求。

4 仿真以及實驗驗證

4.1 仿真設計

由于PET瓶胚壁厚不能連續(xù)變化，因此利用LIGHTTOOLS軟件針對3.5mm型瓶胚設計了仿真實驗進行仿真模擬，選擇光源光功率為20mW，入射光纖和出射光纖纖芯半徑均為0.5mm，數(shù)值孔徑均為0.5，光纖間距a=0.5mm，每次改變厚度0.005mm，并記錄對應接收光纖接收到的光強。具體數(shù)據(jù)繪制成點線圖,如圖8所示(其中橫軸d表示瓶胚壁厚，縱軸P表示接收光功率)。從圖8中可以看出，此曲線變化完全符合反射式光纖位移傳感器調(diào)制理論，從而證明反射式光纖位移傳感器在測量PET瓶胚壁厚中應用的可行性。

Fig.8 Relationship between wall thickness and power

4.2 實驗設計以及結(jié)果

實驗裝置由光纖探頭、固定支架、自適應調(diào)節(jié)裝置以及可旋轉(zhuǎn)底座組成。裝置圖如圖9所示。測試過程，將被測PET瓶胚固定底座上，光纖探頭固定在自適應裝置上，通過調(diào)節(jié)使光纖探頭貼緊PET瓶胚外壁，之后旋轉(zhuǎn)底座，以及上下移動固定裝置實現(xiàn)對PET瓶胚瓶頸部分進行全方位測量。通過電路部分便可得到每個測試點對應的電壓值，將電壓值記錄。標定過程，將PET瓶胚沿瓶頸方向剖開，對傳感器測量點進行測量，從而實現(xiàn)標定。為了保證測量精度，每一個測試點都進行3次測量取平均值，將此平均值作為測量值，共進行500次測量，部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。將測得的500組實驗數(shù)據(jù)利用ORIGIN8軟件進行處理分析，得到實際瓶胚厚度d與探測器輸出電壓U的關系圖，如圖10所示。

Fig.9 Experimental device diagram

d/mmU/V3.2582.5463.2742.5333.2912.5193.3082.5053.3262.4903.3452.4743.3622.4613.3852.4403.4062.4223.4272.4053.4512.384d/mmU/V3.4712.3643.4942.3483.5192.3253.5392.3093.55602.2943.5772.2773.6022.2553.6152.2453.6332.2293.6512.214

從圖10中可以看出,實驗數(shù)據(jù)基本符合反射式光纖位移傳感器調(diào)制理論，線性度比較良好。

Fig.10 Relationship between wall thickness and voltage

4.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對其進行線性度和靈敏度分析。

(1)線性度用δline表示，則有：

(1)

式中,ΔYmax是實驗曲線與擬合直線間的最大偏差；YFS是傳感器滿偏量程。

(2)靈敏度用k1表示，則有：

(2)

5 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)測量方法的不足，本文中依據(jù)反射式光纖位移傳感器原理，通過模擬仿真與實驗驗證，設計了基于反射式光纖位移傳感器的PET瓶胚壁厚測量實驗裝置，該裝置量程為3.20mm～3.80mm，測量線性度為15.8%，靈敏度為0.8448mV/μm。與傳統(tǒng)測量裝置相比，該裝置可以實現(xiàn)實時、高效、高精度測量，對于實際應用有參考利用價值。