专利名称：一种绕制光纤精确长度的计量系统及方法
技术领域：
本发明属于测试与控制技术领域，涉及一种绕制光纤精确长度计量系统及方法。
背景技术：
光纤环是光纤陀螺中的关键器件，它是光纤陀螺中用于敏感输入角速度引起的两相向传播光波之间的Sagnac相位差的部件，由Sagnac效应的原理可知，光纤环的面积及其上所绕制的光纤长度都直接影响着光纤陀螺的精度。因此，在制备光纤陀螺使用的光纤环的过程中需要对光纤的长度进行实时精确地计量。在光纤环绕制过程中，对光纤长度进行计量最常使用的是光电编码盘，使用光电编码盘可以简单便捷的对在绕制光纤的长度进行计量，但是由于光电编码盘是通过统计输出的脉冲数来计光纤环绕制的圈数，进而根据光纤环的半径求取绕制光纤长度的，但是随着绕制层数的增加，光纤绕制的半径也会变化，并且半径的变化并不简单的是光纤直径的 累加，因此，光电编码盘输出固定脉冲个数所对应的绕制长度就会发生变化。虽然光纤的直径一般是微米级的，但是这种方法计量光纤的长度还是不够精确，存在一定的累积误差。而且一般的方法是在假定光纤绕制过程中无任何故障出现的情况下进行计量的，在实际的光纤绕制过程中会出现待绕制光纤环空转、光纤回叠等现象，在这种情况下，用光电编码盘不能对实际长度进行精确计量。鉴于这些原因，本发明提出了使用机器视觉结合光电编码盘和行程开关的方法来对光纤环绕制光纤的长度进行精确计量。
发明内容
本发明的目的是针对现有绕制光纤长度计量中的问题，提供一种在光纤绕丝机上使用光电编码盘和行程开关结合机器视觉对正在绕制光纤的长度进行精确计量的系统及方法，以确保在任何情况下对光纤长度的计量实时、精确。随着机器视觉测量技术的发展，这种技术逐渐被使用在高精度测量领域。机器视觉测量技术是测量被测对象时，从图像中提取有用的信号，把被测对象的数字图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的方法。这是一种综合的技术，由图像成像和采集技术、计算机接口技术、数字图像处理技术等交叉而来。由于光纤直径很�。看螅褂么车牡ヒ环椒ǘ怨庀司凡饬坑心讯龋虼耍私饩錾鲜鋈浦乒庀顺ざ燃屏康奈侍猓痉⒚鞯募际醴桨溉缦乱恢秩浦乒庀司烦ざ鹊募屏肯低常ㄈ浦乒庀嘶涮卣魇腔拱ɑ魇泳踝爸谩⒐た鼗⒌テ酉低�、行程开关与光电编码盘；所述机器视觉装置包括光源和高清摄像机；所述工控机包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器；所述单片机子系统包括信号采集�？楹褪萃ㄐ拍？椋凰龈咔迳阆窕�、单片机子系统、显示器均与工控机的中央微处理器相连接；其中所述光源采用LED线性光源，光源的位置设在机架的底板上，在绕制光纤机的绕制光纤环的一方(正下方)；所述高清摄像机采用高清摄像机，高清摄像机的位置设在绕制光纤机的绕制光纤环另一方(正上方)，高清摄像机的位置与光源的位置相对应；所述光电编码盘安装在绕制光纤机的主轴上，即与绕制光纤环同轴；所述行程开关安装在绕制光纤机的机架底板上，即控制绕制光纤机的平移的精密丝杠的两端部；所述行程开关与光电编码盘与所述单片机子系统的信号采集模块连接并通过数据通信�？橛牍た鼗蛹笆萃ㄐ牛灰恢秩浦乒庀司烦ざ鹊募屏糠椒ǎ涮卣魇鞘紫龋褂霉獾绫嗦肱毯托谐炭乩炊怨庀嘶啡浦乒讨械娜浦圃咽安闶屑觳猓徊⑼ü龅テ酉低车男藕挪杉？榧笆萃ㄐ拍？榇涓た鼗晒た鼗忻坎愕脑咽臣萍安闶臣疲⒔惺荽碛爰扑闳浦乒庀说某ざ龋� 其次，使用机器视觉装置进行自动采集光纤绕制图像，在规定时间内经过一系列图像处理后得到已绕制光纤的像素点坐标信息，并传输给工控机，再由工控机根据高清摄像机的像素点尺寸求取每次绕制光纤的实时半径变化，进而得出绕制光纤的长度的误差修正值；最后，由工控机将绕制光纤环上的匝数及层数统计数，精确计算绕制光纤的长度；在显示器上显示精确的光纤长度、绕制匝数及层数。所述层数统计是根据采集行程开关的输出脉冲数并结合机器视觉装置处理的图像结果来实现的；光纤环上每绕制一层光纤，行程开关输出一个脉冲，行程开关每输出一个脉冲，并在处理结果的图像中显示，且在单片机子系统中使用中断的方式进行层数统计；所述每层的匝数统计是通过光电编码盘的脉冲数及机器视觉装置处理的图像结果来计算的，光纤环上每绕制一匝光纤，光电编码盘输出固有数量的脉冲，并在图像处理结果中显示，且在单片机子系统中使用中断的方式进行匝数统计；所述绕制光纤的长度的误差需要结合机器视觉的处理结果，来不断修正光纤环上绕制光纤的半径；其中在绕制过程中，根据光电编码盘的输出脉冲数和机器视觉装置识别出的光纤状态相结合可以保证光纤绕制过程中打滑时发现错误；从光纤绕制特性及排列顺序可知，第二层每根光纤的排列是在第一层相邻光纤的间隙中，因此，第二层以上光纤的绕制半径的变化并不是简单的光纤环原始半径和光纤直径的相加，而是小于光纤直径的一个值，这个值通过机器视觉装置的高清摄像机处理的图像中光纤的像素点坐标信息精确的得到，相邻两层的像素点坐标差乘以机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸就可以算出第i+Ι层相对于第i层的光纤绕制半径变化。本发明的突出实质性特点和显著的有益效果是本发明的可以避免在光纤绕制过程中出现故障时，例如光纤环打滑和光纤回叠时对光纤长度的计量产生误差，确�？梢远怨庀顺ざ冉惺凳弊既肺尬蟮募屏�。
图I光纤长度计量系统构成示意图。图2光纤绕制层数统计中断服务流程图。图3光纤绕制匝数统计中断服务流程图。
图4实时绕制光纤精确长度计量系统主程序流程图。图5实时绕制光纤精确长度计量子程序流程图。图6实时计算光纤绕制半径子程序流程图。图中1_机架,2-工控机,3-显不器,4-单片机子系统,5-稳压电源,6-待绕制光纤环，7-光电编码盘，8-高清摄像机，9-光源，10-第一个行程开关，11-第二个行程开关，12-精密丝杠。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。如图I所示，本发明一种绕制光纤精确长度计量系统，它包括机架I、机器视觉装 置、工控机2、单片机子系统4、待绕制光纤环6、光电编码盘7、行程开关10、行程开关11，精密丝杠12 ;机器视觉装置包括光源9和高清摄像机8 ;工控机2包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器3 ;高清摄像机8、单片机子系统4、显示器3均与工控机2的中央微处理器相连接。光源9采用LED线性光源，位置在所述机架I的底板上，在所述待绕制光纤环6的正下方，即采用背光照明方式。高清摄像机8采用CCD高清摄像机，位置在所述待绕制光纤环6正上方，并通过其上的接口与所述工控机2之间传输信息；工控机主机设置于机架2的底板上。单片机子系统4主要包括信号采集�？楹屯ㄐ拍？椋渲行藕挪杉？椴杉谐炭�10，11和光电编码盘7输出的脉冲信号，并将此信号通过通信�？榇た鼗闹醒胛⒋砥鳎恍谐炭�10，11用两个反射式光电传感器实现，一个在精密丝杠12移动的起始位置正下方，另一个在精密丝杠12移动的终点位置正下方。整个系统通过稳压电源5供电。本发明中使用光电编码盘和行程开关结合机器视觉采集回的图像对在绕制光纤进行精确计量的具体实施方式
如下(I)层数统计光纤环上层数的统计根据采集精密丝杠下安装的行程开关的输出脉冲数结合机器视觉处理的图像结果来实现。光纤环上每绕制完成一层光纤，精密丝杠移动一段固定的距离，这段距离与光纤环的规格尺寸有关，这样随着光纤环上光纤不停的绕制，精密丝杠在这段固定的距离内来回往复运动，因此安装在精密丝杠下的行程开关，在光纤环上的光纤每绕制完一层即精密丝杠到达这个固定位置时就会输出一个脉冲，行程开关每输出一个脉冲且图像处理结果中显示开始新一层绕制时说明光纤绕制完一层，这样可以避免光纤回叠时误认为换层的情况发生。在单片机子系统中使用中断的方式实现层数统计，其流程图，如图2所示。(2)匝数统计光纤环上每绕制一阻光纤，与其同轴的光电编码盘就会输出固有数量的脉冲。光纤环每层的匝数通过计与主轴同轴的光电编码盘的脉冲数及机器视觉装置处理的图像结果来计算，这样可以避免光纤绕机上待绕制光纤环打滑时错误的统计匝数。采用光电编码盘每输出固定个数的脉冲且图像处理结果中显示有一根新的光纤绕制在光纤环上，说明主轴转过一圈，此时光纤环绕制完成一匝。在单片机子系统中使用中断的方式实现匝数统计，其光纤绕制匝数统计中断服务流程图，如图3所示。
( 3 )光纤长度计量修正在绕制过程中，根据光电编码盘的输出脉冲数和机器视觉装置识别出的光纤状态相结合可以保证光纤绕制过程中打滑时发现错误，重新缠绕以实现正确缠绕和准确的计量长度。计量绕制光纤长度主程序流程图，如图4所示。从光纤绕制特性及排列顺序可知，第二层每根光纤的排列是在第一层相邻光纤的间隙中，因此，第二层以上光纤的绕制半径的变化并不是简单的光纤环原始半径和光纤直径的相加，而是小于光纤直径的一个值，这个值·可以通过处理的图像中光纤的像素点坐标信息精确的得到，相邻两层的像素点坐标差乘以机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸就可以算出第i+Ι层相对于第i层的光纤绕制半径变化。实时获取光纤绕制半径流程图，如图5所示。为了给出计量光纤绕制长度的公式，在此给出各个指标取值范围及其标号。实时计算光纤绕制半径子程序流程，如图6所示，具体计算过程如下假设待绕制光纤环原始半径为IV机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸为a μ m*a μ m, k为每层光纤匝数(k=0，1，2…200)，绕制层数p (p=0，1，2…500)，根据采集回的图像处理后得到光纤环第一层第一根光纤的像素点最上最左坐标信息为(xn，yn)，第二层第一根光纤的像素点最上最左坐标信息为(x21，y21)，依次类推，第i层第j根光纤的像素点坐标信息为(Xij, Yij) (i=l, 2··· 100, j=l, 2··· 200)，光电编码器一共可以输出的脉冲个数为m，光电编码器已输出的脉冲个数为Hi1，在绕制完后。第一层第k根光纤后的长度计算公式是k *2πτ0 +/W1 * ——-(公式 I)
m第二层光纤长度计算公式为当前光纤绕制半径Rpi，当前光纤绕制层数Pi,当前光纤绕制匝数Iiik. ^'2ηΚη1(公式 2 )
1. m其中Rpi=(X21-X11)a+r0据此可以得出当前已绕制光纤长度计算公式为L= kl *2 π Rpi + 所i *』!ι +!<*2 Tl R ρι (公式 3 )
m据以上方法计量长度的误差计算公式为
2nR.tAl =——i (公式 4)
m若不依据机器视觉处理的结果求取绕制半径，则误差计算公式为Δ/=2 咖 W(公式 5)
m由公式5可以看出随着光纤绕制层数的增加此累积误差会越来越大。因此，随着光纤环上光纤的绕制，光纤层数增加，光电编码盘输出固定个数脉冲所对应的光纤绕制长度随着层数不同而不同，计量光纤长度要结合机器视觉的处理结果，来不断修正光纤环上绕制光纤的半径
权利要求
1.一种绕制光纤精确长度的计量系统，包括绕制光纤机，其特征是还包括机器视觉装置、工控机、单片机子系统、行程开关与光电编码盘；所述机器视觉装置包括光源和高清摄像机；所述工控机包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器；所述单片机子系统包括信号采集�？楹褪萃ㄐ拍？椋凰龈咔迳阆窕�、单片机子系统、显示器均与工控机的中央微处理器相连接；其中 所述光源采用LED线性光源，光源的位置设在机架的底板上，在绕制光纤机的绕制光纤环的一方；所述高清摄像机采用高清摄像机，高清摄像机的位置设在绕制光纤机的绕制光纤环另一方，高清摄像机的位置与光源的位置相对应； 所述光电编码盘安装在绕制光纤机的主轴上，即与绕制光纤环同轴；所述行程开关安装在绕制光纤机的机架底板上，即控制绕制光纤机平移的精密丝杠的两端部；所述行程开关与光电编码盘与所述单片机子系统的信号采集模块连接并通过数据通信模块与工控机连接及数据通信。
2.根据权利要求I所述的一种绕制光纤精确长度的计量系统的计量方法，其特征是首先，使用光电编码盘和行程开关来对光纤环绕制过程中的绕制匝数及层数进行检测；并通过所述单片机子系统的信号采集�？榧笆萃ㄐ拍？榇涓た鼗晒た鼗忻坎愕脑咽臣萍安闶臣疲⒔惺荽碛爰扑闳浦乒庀说某ざ龋黄浯危褂没魇泳踝爸媒凶远杉庀巳浦仆枷瘢诠娑ㄊ奔淠诰幌盗型枷翊砗蟮玫揭讶浦乒庀说南袼氐阕晷畔ⅲ⒋涓た鼗儆晒た鼗莞咔迳阆窕南袼氐愠叽缜笕∶看稳浦乒庀说氖凳卑刖侗浠贸鋈浦乒庀顺ざ鹊奈蟛钚拚担蛔詈螅晒た鼗浦乒庀嘶飞系脑咽安闶臣剖扑闳浦乒庀说木烦ざ龋辉谙允酒魃舷允揪返墓庀顺ざ�、绕制匝数及层数。
3.依据权利要求2所述的一种绕制光纤精确长度的计量方法，其特征是 所述层数统计是根据采集行程开关的输出脉冲数并结合机器视觉装置处理的图像结果来实现的；光纤环上每绕制一层光纤，行程开关输出一个脉冲，行程开关每输出一个脉冲，并在处理结果的图像中显示，且在单片机子系统中使用中断的方式进行层数统计；所述每层的匝数统计是通过光电编码盘的脉冲数及机器视觉装置处理的图像结果来计算的，光纤环上每绕制一匝光纤，光电编码盘输出固有数量的脉冲，并在图像处理结果中显示，且在单片机子系统中使用中断的方式进行匝数统计； 所述绕制光纤的长度的误差需要结合机器视觉的处理结果，来不断修正光纤环上绕制光纤的半径；其中 在绕制过程中，根据光电编码盘的输出脉冲数和机器视觉装置识别出的光纤状态相结合可以保证光纤绕制过程中打滑时发现错误； 从光纤绕制特性及排列顺序可知，第二层每根光纤的排列是在第一层相邻光纤的间隙中，因此，第二层以上光纤的绕制半径的变化并不是简单的光纤环原始半径和光纤直径的相加，而是小于光纤直径的一个值，这个值通过机器视觉装置的高清摄像机处理的图像中光纤的像素点坐标信息精确的得到，相邻两层的像素点坐标差乘以机器视觉装置的高清摄像机的像素点尺寸就可以算出第i+1层相对于第i层的光纤绕制半径变化。
全文摘要
本发明涉及一种绕制光纤精确长度计量系统及方法，系统包括绕制光纤机，其特征是还包括机器视觉装置、工控机、单片机子系统、行程开关与光电编码盘；所述机器视觉装置包括光源和高清摄像机；所述工控机包括内置嵌入式图像处理软件的中央微处理器和显示器；所述单片机子系统包括信号采集�？楹褪萃ㄐ拍？椋槐痉⒚髦惺褂霉獾绫嗦肱毯托谐炭亟岷匣魇泳醪杉氐耐枷穸栽谌浦乒庀私芯芳屏浚梢员苊庠诠庀巳浦乒讨谐鱿止收鲜保绻庀嘶反蚧凸庀嘶氐倍怨庀顺ざ鹊募屏坎蟛睿繁？梢远怨庀顺ざ冉惺凳弊既肺尬蟮募屏�。
文档编号G01D5/36GK102706284SQ201210210979
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者张鹏, 杨瑞峰, 武锦辉, 贾建芳, 郭晨霞 申请人:中北大学
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