基于多芯光纤的物体边缘探测装置及物体边缘测量方法

1.本发明涉及精密测量及检测技术领域，特别涉及一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置及物体边缘测量方法。


背景技术：

2.边缘检测是机械工业中重要的测量内容，广泛应用于制造业、运输业和安防等领域，如零部件的自动化分拣、机械装配、高精度定向对接、入侵检测以及轴类零件的在线测量等。然而，随着这些行业的不断发展，对相关制件的精度水平和批量化生产提出了更高的要求，进而需要对边缘检测技术提出更高的要求。
3.目前边缘检测技术主要分为接触式边缘检测和非接触式边缘检测，接触式边缘检测主要利用接触开关，这种方式工作局限性较大；非接触式边缘检测主要包括图像检测技术，如canny边缘检测、zernike矩的边缘检测、robert边缘检测、laplacian边缘检测等，这些技术在硬件上基于成像设备，因此需要清晰成像。然而，在诸如黑暗、狭小空间、高温高辐射等极端的工控下，会由于限制了成像设备的工作而影响图像质量，使得相应算法抗噪能力不理想，并且以上算法一般需要较强算力，计算复杂度高，处理实时性较低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，针对以上不足，有必要提出一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置及物体边缘测量方法，能够提高对物体进行边缘测量的精度和实时性。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置，包括：光源、光环形器、扇入扇出模块、由n根纤芯[4-1～4-n]组成的多芯光纤、自聚焦透镜和n个光电探测器[6-1～6-n]；
[0006]
所述光环形器具有端口[2-1～2-3]，所述扇入扇出模块具有端口[3-0～3-n]端口；其中，所述光环形器的端口[2-1]连接到所述光源的输出端，端口[2-2]连接到所述所述扇入扇出模块的端口[3-1]，端口[2-3]连接到所述光电探测器[6-1]的输入端口，所述扇入扇出模块的端口[3-2～3-n]分别对应连接到所述光电探测器[6-2～6-n]的输入端口，所述扇入扇出模块的端口[3-0]连接所述多芯光纤，且该多芯光纤的纤芯[4-1]与所述扇入扇出模块的端口[3-1]连接，纤芯[4-2～4-n]分别对应与所述扇入扇出模块的端口[3-2～3-n]连接；正对所述多芯光纤的端面位置处设置有自聚焦透镜，该多芯光纤和自聚焦透镜通过探头外壳封装为探头；具有连接关系的部件和端口之间通过光纤连接；
[0007]
所述光源发出的光信号经所述光环形器引导后进入所述扇入扇出模块，并从所述多芯光纤的纤芯[4-1]射出后经所述自聚焦透镜投射至被测物体上；所述自聚焦透镜将所述被测物体的反射光信号进行成像，并投射至所述多芯光纤的各纤芯端面上，纤芯[4-1]上投射的反射光信号经扇入扇出模块和光环形器后输出至光电探测器[6-1]，纤芯[4-2～4-n]上投射的反射光信号经扇入扇出模块输出至各自对应的光电探测器[6-2～6-n]；光电探测器[6-1～6-n]将接收到的反射光信号转换为电信号，转换后的该电信号用于确定所述被
测物体被探测到的时刻，和/或被测物体的长度。
[0008]
优选的，所述多芯光纤中的n根纤芯位于同一水平面排布。
[0009]
优选的，该探测装置还包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡和各光电探测器均与所述上位机电性连接；
[0010]
所述数据采集卡用于从各光电探测器中采集电信号传输给所述上位机，该上位机利用接收到的各光电探测器的电信号计算被测物体被探测到的时刻，和/或被探测物体的长度。
[0011]
优选的，所述上位机利用接收到的各光电探测器的电信号计算被测物体被探测到的时刻t时，利用以下计算式一计算：
[0012][0013]
其中，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0014]
优选的，所述上位机利用接收到的各光电探测器的电信号计算被测物体的长度l时，利用以下计算式二计算：
[0015][0016]
其中，v用于表征被测物体的运动速度，tj用于表征第j个光电探测器探测到被测物体反射的信号消失时的时刻，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0017]
优选的，该探测装置还包括与所述上位机电性连接的告警模块，用于在探测到所述被测物体时执行报警操作。
[0018]
优选的，所述探头外壳为能够使探头灵活弯曲的软质材料。
[0019]
第二方面，本发明实施例还提供了一种物体边缘测量方法，实施主体为如第一方面中所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，步骤包括：
[0020]
步骤1：将探头正对被测物体运动经过的位置，且探头的多芯光纤中各纤芯所在的平面与该被测物体的运动速度方向垂直；
[0021]
步骤2：在被测物体通过所述探头的过程中，各光电探测器持续接收反射回的光信号，并将其转换为电信号后发送至上位机；
[0022]
步骤3：所述上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体被探测到的时刻，和/或被测物体的长度。
[0023]
优选的，所述步骤3中，上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体被探测到的时刻时，具体包括：
[0024]
利用以下计算式一计算被测物体被探测到的时刻t：
[0025][0026]
其中，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0027]
优选的，所述步骤3中，上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测
物体的长度时，具体包括：
[0028]
利用以下计算式二计算被测物体的长度l：
[0029][0030]
其中，v用于表征被测物体的运动速度，tj用于表征第j个光电探测器探测到被测物体反射的信号消失时的时刻，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0031]
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的基于多芯光纤的物体边缘探测装置和物体边缘测量方法中，该装置可以包括光源、光环形器、扇入扇出模块、由n根纤芯组成的多芯光纤、自聚焦透镜和n个光电探测器等。光源发出的信号由光环形器引导后进入扇入扇出模块，并从多芯光纤射出后经自聚焦透镜投射到被测物体上，当被测物体经过时，被测物体的发射光信号会进行成像并投射到纤芯端面上，并通过光纤传输至光电探测器后转换成电信号。当探测到被测物体时，光信号会发生变化，进而导致电信号也会发生变化，如此基于该电信号的变化即可实现对被测物体的探测。而且由于本方案是同时利用多芯的光纤进行探测，从而根据各光纤之间的探测结果可以提高测量结果的准确性。此外，本方案提供的探测装置体积小，结构简单且紧凑，能够适用于复杂且狭小的空间环境的测量。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例提供的一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置的示意图；
[0033]
图2为本发明实施例提供的一种多纤芯光纤的端面示意图；
[0034]
图3为光电探测器所探测到的信号强度变化图；
[0035]
图4为本发明实施例提供的一种物体边缘测量方法的流程图；
[0036]
图中：光源1、光环形器2、扇入扇出模块3、多芯光纤4、自聚焦透镜5、光电探测器6、数据采集卡7、上位机8、探头外壳9、被测物体10。
具体实施方式
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
参见图1-3，本发明实施例提供了一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置，包括：光源1、光环形器2、扇入扇出模块3、由n根纤芯[4-1～4-n]组成的多芯光纤4、自聚焦透镜5和n个光电探测器6[6-1～6-n]；
[0039]
光环形器2具有端口[2-1～2-3]，扇入扇出模块3具有端口[3-0～3-n]端口；其中，光环形器2的端口[2-1]连接到光源1的输出端，端口[2-2]连接到扇入扇出模块3的端口[3-1]，端口[2-3]连接到光电探测器[6-1]的输入端口，扇入扇出模块3的端口[3-2～3-n]分别对应连接到光电探测器[6-2～6-n]的输入端口，扇入扇出模块3的端口[3-0]连接多芯光纤4，且该多芯光纤4的纤芯[4-1]与扇入扇出模块3的端口[3-1]连接，纤芯[4-2～4-n]分别对应与扇入扇出模块3的端口[3-2～3-n]连接；正对多芯光纤4的端面位置处设置有自聚焦透镜5，该多芯光纤4和自聚焦透镜5通过探头外壳9封装为探头；具有连接关系的部件和端口
之间通过光纤连接；
[0040]
光源1发出的光信号经光环形器2引导后进入扇入扇出模块3，并从多芯光纤4的纤芯[4-1]射出后经自聚焦透镜5投射至被测物体10上；自聚焦透镜5将被测物体10的反射光信号进行成像，并投射至多芯光纤4的各纤芯端面上，纤芯[4-1]上投射的反射光信号经扇入扇出模块3和光环形器2后输出至光电探测器[6-1]，纤芯[4-2～4-n]上投射的反射光信号经扇入扇出模块3输出至各自对应的光电探测器[6-2～6-n]；光电探测器[6-1～6-n]将接收到的反射光信号转换为电信号，转换后的该电信号用于确定被测物体10被探测到的时刻，和/或被测物体10的长度。
[0041]
本方案中各部件按照光路传播的方向设置，具有连接关系的部件和端口之间通过光纤连接。
[0042]
如图2所示，多芯光纤4中的n根纤芯位于同一水平面排布，图1-3中均以三根纤芯的情况示出，如此当该n根纤芯所在的水平面与被测物体的运动方向垂直时，各纤芯所连接的光电探测器6能够同时探测到物体进入探头时的信号，从而可以通过分析各探测器探测到的信号，使得探测结果更加精准。
[0043]
在一种实施例中，探测装置还包括数据采集卡7和上位机8，数据采集卡7和各光电探测器6均与上位机8电性连接；
[0044]
数据采集卡7用于从各光电探测器6中采集电信号传输给上位机8，该上位机8利用接收到的各光电探测器6的电信号计算被测物体10被探测到的时刻，和/或被探测物体10的长度。
[0045]
进一步，当上位机8利用接收到的各光电探测器6的电信号计算被测物体10被探测到的时刻t时，可以利用以下计算式一计算：
[0046][0047]
其中，ti用于表征第i个光电探测器6初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0048]
本实施例中，考虑计算各探测器探测到的时刻的平均值来计算被测物体被探测到的时刻。比如参见3，图中以三根纤芯的情况示出信号强度p与时间t的变化情况，各纤芯所在的水平面与y方向垂直，当沿着y方向运动的被测物体通过三芯光纤探头后，光电探测器6将同时产生三组信号，第一个信号持续时间为t1a到t2a，该信号的起始时刻t1a即是被测物体边缘ab被纤芯1探测到的时刻。同理，第二个信号持续时间为t1b到t2b，该信号的起始时刻t1b即是被测物体边缘ab被纤芯2探测到的时刻；第三个信号持续时间为t1c到t2c，该信号的起始时刻t1c即是被测物体边缘ab被纤芯3探测到的时刻。上位机8通过将t1a、t1b、t1c三个数值求和取平均，即t＝(t1a+t1b+t1c)/3。由于单次测量或者单通道测量无法避免地存在误差，而通过本方案取平均值将减少误差，而且该方法在测量精度要求较高的工况下效果更佳。此外，本方案多芯光纤4的各个纤芯具有更高的一致性，且多芯光纤4探头的集成度更高，体积更加小巧，可以在微小空间、近距离、高电磁辐射等复杂环境下进行物体的边缘探测。
[0049]
当上位机8利用接收到的各光电探测器6的电信号计算被测物体10的长度l时，利用以下计算式二计算：
[0050][0051]
其中，v用于表征被测物体的运动速度，tj用于表征第j个光电探测器探测到被测物体反射的信号消失时的时刻，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0052]
本实施例中，考虑可以根据光电探测器6探测到的信号计算被测物体的长度，比如，需要对流水线上的产品长度进行质检时，可以利用该装置进行产品长度的检测。将该装置的探头正对流水线上的产品，且流水线上的产品以速度v进行运行。比如，可以参见3，光电探测器6同时产生三组信号，第一个信号持续时间为t1a到t2a，该信号的起始时刻t1a即是被测物体边缘ab被纤芯1探测到的时刻，t2a即为被测物体完全通过纤芯1的时刻。同理，第二个信号持续时间为t1b到t2b，该信号的起始时刻t1b即是被测物体边缘ab被纤芯2探测到的时刻，t2b即为被测物体完全通过纤芯2的时刻；第三个信号持续时间为t1c到t2c，该信号的起始时刻t1c即是被测物体边缘ab被纤芯3探测到的时刻，t2c即为被测物体完全通过纤芯3的时刻。如此被测物体的长度即为：
[0053][0054]
由此可见，上述求取被测物体被探测到的时刻和被测物体的长度l时，均采用简单的线性求解方案，计算量小、计算过程简单，从而能够大大提高上位机8的求解速率，进而提高探测结果的实时性。
[0055]
而且本方案采用的是光纤进行信号的传输，其相比于传统方案能够具有更好的抗电磁干扰能力，从而能够使得测量结果更加准确。
[0056]
在一种实施例中，该探测装置还包括与上位机8电性连接的告警模块，用于在探测到被测物体10时执行报警操作。
[0057]
本实施例中，考虑设置告警模块，当检测到物体时可以进行报警，从而体现相关工作人员。比如，在围栏、栅栏、警戒线等位置处，使本装置的探头正对围栏线或者警戒线，当探测装置检测到有人或物体时，告警模块可以进行报警，以提示工作人员有人员或物体越过了围栏线或警戒线。
[0058]
在一种实施例中，探头外壳9为能够使探头灵活弯曲的软质材料。通过将探头外壳9设置为能够灵活弯曲的软质材料，如此通过弯曲探头可以适应短距离、微空间等空间受限和复杂的环境，从而提高了该装置的应用场景，使得该装置更具有普适性。
[0059]
如图4所示，本发明实施例还提供了一种物体边缘测量方法，实施主体为如上述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，具体步骤可以包括：
[0060]
步骤1：将探头正对被测物体运动经过的位置，且探头的多芯光纤中各纤芯所在的平面与该被测物体的运动速度方向垂直；
[0061]
步骤2：在被测物体通过探头的过程中，各光电探测器持续接收反射回的光信号，并将其转换为电信号后发送至上位机；
[0062]
步骤3：上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体被探测到的时刻，和/或被测物体的长度。
[0063]
在一种实施例中，步骤3中，上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算
被测物体被探测到的时刻时，具体包括：
[0064]
利用以下计算式一计算被测物体被探测到的时刻t：
[0065][0066]
其中，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0067]
在一种实施例中，步骤3中，上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体的长度时，具体包括：
[0068]
利用以下计算式二计算被测物体的长度l：
[0069][0070]
其中，v用于表征被测物体的运动速度，tj用于表征第j个光电探测器探测到被测物体反射的信号消失时的时刻，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。
[0071]
与现有技术相比，本发明具有以下优势：(1)传统的单次测量或者单通道测量无法避免地存在误差，本发明利用多芯光纤一根光纤中多个纤芯自然构成的多测量通道，求取平均测量值从而减少误差，该方法在测量精度要求较高的工况下效果更佳。(2)多芯光纤的各个纤芯具有更高的一致性，且多芯光纤探头的集成度更高，体积更加小巧，可以在微小空间、近距离、高电磁辐射等严苛环境下进行物体的边缘探测，相比图像处理方式，适应性更强，计算方法简单，在线测量的实时性更好。
[0072]
本发明提供的方法实施例由于与本说明书装置实施例基于同一构思，为基于本发明提供的装置所采取的测量方法，具体内容可参见本说明书系统实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0073]
本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，包括：光源、光环形器、扇入扇出模块、由n根纤芯[4-1～4-n]组成的多芯光纤、自聚焦透镜和n个光电探测器[6-1～6-n]；所述光环形器具有端口[2-1～2-3]，所述扇入扇出模块具有端口[3-0～3-n]端口；其中，所述光环形器的端口[2-1]连接到所述光源的输出端，端口[2-2]连接到所述所述扇入扇出模块的端口[3-1]，端口[2-3]连接到所述光电探测器[6-1]的输入端口，所述扇入扇出模块的端口[3-2～3-n]分别对应连接到所述光电探测器[6-2～6-n]的输入端口，所述扇入扇出模块的端口[3-0]连接所述多芯光纤，且该多芯光纤的纤芯[4-1]与所述扇入扇出模块的端口[3-1]连接，纤芯[4-2～4-n]分别对应与所述扇入扇出模块的端口[3-2～3-n]连接；正对所述多芯光纤的端面位置处设置有自聚焦透镜，该多芯光纤和自聚焦透镜通过探头外壳封装为探头；具有连接关系的部件和端口之间通过光纤连接；所述光源发出的光信号经所述光环形器引导后进入所述扇入扇出模块，并从所述多芯光纤的纤芯[4-1]射出后经所述自聚焦透镜投射至被测物体上；所述自聚焦透镜将所述被测物体的反射光信号进行成像，并投射至所述多芯光纤的各纤芯端面上，纤芯[4-1]上投射的反射光信号经扇入扇出模块和光环形器后输出至光电探测器[6-1]，纤芯[4-2～4-n]上投射的反射光信号经扇入扇出模块输出至各自对应的光电探测器[6-2～6-n]；光电探测器[6-1～6-n]将接收到的反射光信号转换为电信号，转换后的该电信号用于确定所述被测物体被探测到的时刻，和/或被测物体的长度。2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，所述多芯光纤中的n根纤芯位于同一水平面排布。3.根据权利要求2所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，该探测装置还包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡和各光电探测器均与所述上位机电性连接；所述数据采集卡用于从各光电探测器中采集电信号传输给所述上位机，该上位机利用接收到的各光电探测器的电信号计算被测物体被探测到的时刻，和/或被探测物体的长度。4.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，所述上位机利用接收到的各光电探测器的电信号计算被测物体被探测到的时刻t时，利用以下计算式一计算：其中，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。5.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，所述上位机利用接收到的各光电探测器的电信号计算被测物体的长度l时，利用以下计算式二计算：其中，v用于表征被测物体的运动速度，tj用于表征第j个光电探测器探测到被测物体反射的信号消失时的时刻，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。6.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，该探测装置还包括与所述上位机电性连接的告警模块，用于在探测到所述被测物体时执行报警操作。
7.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，其特征在于，所述探头外壳为能够使探头灵活弯曲的软质材料。8.一种物体边缘测量方法，其特征在于，实施主体为如权利要求1-7中所述的基于多芯光纤的物体边缘探测装置，步骤包括：步骤1：将探头正对被测物体运动经过的位置，且探头的多芯光纤中各纤芯所在的平面与该被测物体的运动速度方向垂直；步骤2：在被测物体通过所述探头的过程中，各光电探测器持续接收反射回的光信号，并将其转换为电信号后发送至上位机；步骤3：所述上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体被探测到的时刻，和/或被测物体的长度。9.根据权利要求8所述的物体边缘测量方法，其特征在于，所述步骤3中，上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体被探测到的时刻时，具体包括：利用以下计算式一计算被测物体被探测到的时刻t：其中，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。10.根据权利要求8所述的物体边缘测量方法，其特征在于，所述步骤3中，上位机根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算被测物体的长度时，具体包括：利用以下计算式二计算被测物体的长度l：其中，v用于表征被测物体的运动速度，tj用于表征第j个光电探测器探测到被测物体反射的信号消失时的时刻，ti用于表征第i个光电探测器初始探测到被测物体反射的信号时的时刻。

技术总结
一种基于多芯光纤的物体边缘探测装置，包括光源、光环形器、扇入扇出模块、多芯光纤、自聚焦透镜和光电探测器；光源发出的光信号经光环形器引导后进入扇入扇出模块，并从多芯光纤的纤芯射出后经自聚焦透镜投射至被测物体上；自聚焦透镜将被测物体的反射光信号进行成像，并投射至多芯光纤的各纤芯端面上，纤芯上投射的反射光信号经扇入扇出模块和光环形器后输出至光电探测器，纤芯上投射的反射光信号经扇入扇出模块输出至各自对应的光电探测器；光电探测器将接收到的反射光信号转换为电信号，转换后的该电信号用于确定被测物体被探测到的时刻，和/或被测物体的长度。本方案能够提高对物体进行边缘测量的精度和实时性。物体进行边缘测量的精度和实时性。物体进行边缘测量的精度和实时性。


技术研发人员：马鑫 李浩然 李敏 刘杏 李佳婷
受保护的技术使用者：宁夏大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/7