一种光纤F-P腔传感器自准直系统及其自准直封装方法

一种光纤f-p腔传感器自准直系统及其自准直封装方法
技术领域
1.本发明涉及mems传感器技术领域，尤其涉及一种光纤f-p腔传感器自准直系统及其自准直封装方法。


背景技术：

2.光纤准直器主要由光纤与准直透镜组成，可将普通石英光纤端面出射的发散光束变换为平行光束，提高后端光学组件的工作距离，从而将后端光学组件隔离高温区，结合耐高温敏感结构可实现高温环境下的测量。
3.基于光学的mems传感器一般都需要将准直器与敏感芯片对光对准，搭建实验台对准直器进行对光时，主要利用光的反射定律。首先保证准直器出射光点打到敏感芯片正中间，此时传感器灵敏度最高，且膜片受压变形后对反射光的影响最小，然后根据敏感芯片返回光的位置进行后续调整。敏感芯片返回光点位置通过单白色背景进行观察，当敏感芯片返回光偏离准直器透镜中心，通过调节架进行进行调制。
4.也有通过对返回的光强度进行测量，从而对准直器的位置进行后续调制的方法。使用可见光对光初步确定组件相对位置后，将传感器接入检测光路，通过对返回光功率及光谱图的观测来进行精确调节。调整时通过功率计测量返回光功率，当返回光功率最大时信号最佳。但这些方法一般都是人工进行准直器对光作业，校准装置在使用过程中操作也较为麻烦，对于准直器自对准技术和方法还需要进一步的研究。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种光纤f-p腔传感器自准直系统及其自准直封装方法，以解决现有技术中光学mems传感器采用人工进行准直器对光，无法满足快速、精准的传感器性能要求和生产要求的问题。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种光纤f-p腔传感器自准直系统，包括mcu和执行单元，其特征在于：所述执行单元包括三个步进电机，三个所述步进电机分别用于控制准直器在x轴、y轴和z轴三个方向上的移动；mcu内嵌入设置有pid控制模块，所述pid控制模块与三个所述步进电机之间通过pwm控制；所述自准直系统还包括电源，所述mcu和三个所述步进电机均与所述电源连接。
7.进一步的，所述mcu的外围电路包括复位电路、时钟电路和3.3v供电电路。
8.进一步的，一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于，包括以下步骤，s1：预先测定准直器准直后的光强值p，存入mcu中，并设置为pid控制模块的初始参数；s2：实时采集在pwm控制下的x轴遍历光强值，得到遍历后x轴的最大光强值c0，和对应的pid的控制参数，并由mcu送入pid控制模块；
，σv=1；s203c：通过莱维飞行随机得到的位置光强xi，移动到该点邻域，通过爬山法算法寻找局部最优解，输入迭代次数k=1，标志位i，j=1；s204c：判断当前光强xi值与光强x
i+1
值大小，当x
i+1
的值小于xi值，局部最优解为ci，即为局部最优光强点；s205c：将局部最优解ci送入nj，标志位j+1用于保存每个局部最优解地址，更新鸟窝位置即更新局部最优解标志位i；s206c：判断当前局部最优解是否满足转换参数，如满足则ci为全局最优解，如无法满足，重新通过莱维飞机寻找下一个随机数ci；s207c：重新确定xi的邻域，得到当前标志下的光强值xi，重新通过爬山法寻找局部最优解数据，同时通过标志位j保存最优解于参数n中，判断转换参数是否小于0到1间的随机数，如果满足nj和n
j+1
大小关系，则保存当前标志位i，此时局部最优解地址被替换为当前光强最大点ci，如无法满足则重新莱维飞机寻找下一个局部最优解；s208c：通过不断迭代k次，不断将局部最优解进行交换更新，最后得到当前轴的全局最优解，即光强最大值点c0。
12.进一步的，步骤s2中所述的pid的控制参数为增量型pid，且增量型pid输出公式为；式中，kp，ki，kd分别为增量式pid控制模块的比例、积分以及微分系数。
13.进一步的，pid的控制参数整定由衰减曲线法获得，具体包括以下步骤，s2a：将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零，即ti＝∞，td＝0；s2b：调节系统按纯比例作用投入，系统稳定后，逐步减小比例度，观察调节过程变化情况；s2c：判断调节过程变化是否达到规定的比，如果没有，则重复步骤s2b；若调节过程达到规定的比，则得到对应的衰减情况下的δs和衰减操作周期ts；s2d：根据δs和ts值按经验公式计算出调节器整定参数；s2e：将略大于步骤s2d中得到的调节器整定参数的数值，逐步引入系统中，观察运行，并逐步向小调整；s2f：观察曲线是否满足整定要求，如果无法满足，则重复步骤s2e，直至找到满足曲线要求的pid参数，完成整定。
14.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，本发明中光纤f-p腔传感器自准直系统通过采集实时光强与理论光强做比较的思路，最值算法提供精准的理论光强，pid控制系统精准定位，精准位移防止稳态误差和超调量的出现，且在未满足最大光强条件时可以重复进行操作和对比，确保准直器对光对准的准确性和精准度，由此可以精确的实现mems传感器准直器自对准。
附图说明
15.图1为本发明中光纤f-p腔传感器自准直系统架构图。
16.图2为本发明中光纤f-p腔传感器自准直系统原理示意图。
17.图3为本发明中光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法流程图。
18.图4为本发明实施例二中数值最值算法中的微分插值法流程图。
19.图5为本发明实施例二中pid参数衰减曲线法4：1整定法流程图。图6为本发明实施例二中仿真实验实际输出与理想输出对比图。
20.图7为本发明实施例三中全局最优解数值算法流程图。
21.图8为本发明实施例四中数值最值算法中的冒泡排序法流程图。
具体实施方式
22.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1
23.如附图1和2所示，一种光纤f-p腔传感器自准直系统，包括mcu和执行单元，所述执行单元包括三个步进电机，三个所述步进电机分别用于控制准直器在x轴、y轴和z轴三个方向上的移动；mcu内嵌入设置有pid控制模块，所述pid控制模块与三个所述步进电机之间通过pwm控制；所述自准直系统还包括电源，所述mcu和三个所述步进电机均与所述电源连接。
24.所述mcu的外围电路包括复位电路、时钟电路和3.3v供电电路，外围电路与单片机mcu构成最小系统作为光纤f-p腔传感器自准直系统的主控。执行单元由受pwm控制的继电器隔离步进电机组成，三个步进电机构成三轴系统，分别控制系统的xyz三个方向。mcu和步进电机的供电均由电源供应，其中三个步进电机为标准电压12v供电，mcu一般为3.3v供电。
实施例2
25.实施例二提供一种如实施例一中所述的光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，具体操作过程如附图3所示，包括以下步骤，s1：预先测定准直器准直后的光强值p，存入mcu中，并设置为pid控制模块的初始参数；具体的，先对光纤f-p腔传感器自准直系统进行初始化，预先测定准直器准直后光强初始数据，作为此自准直封装方法的给定光强值p存入mcu。
26.s2：实时采集在pwm控制下的x轴遍历光强值，得到遍历后x轴的最大光强值c0，和对应的pid的控制参数，并由mcu送入pid控制模块；具体的，本实施例中采用数值最值算法中的微分插值法得到遍历后x轴的最大光强值c0，具体操作过程如附图4所示，包括以下步骤，s201a：设定初始点位的光强计算初始位置x0，y0，迭代标志h，点数量n；s202a：给定递增标志为n，最值点标志为k，并赋值n为1；s203a：赋值x1=x0+h，赋值y
p
=y0+hf(x0,y0)，yc=y0+hf(x1,y
p
)，通过迭代拟合得到微
分函数y1=(y
p
+yc)/2；s204a：将新得到的y1和x1的值作为初始x0和y0回带入步骤s203a中，重复n次步骤s203a，得到n次迭代线性拟合微分式；s205a：最值标志位每经过一次迭代就会减1，可得到k=0，带入n次迭代拟合微分方程中获得最大光强值c0。
27.该实施例中采用三次微分插值迭代仿真整个子程序流程，给定采样频率为1/100（即x步长为0.01），输入y0=0.009999833，y1=0.01999867，y2=0.02999550，经过n=3次迭代后得迭代w微分多项式：，得最值约等于0.99958265完成最值算法运算。
28.进一步的，由mcu处理得到的最大光强c值需和pid行为控制配合，使得电机能带动准直器移动到准直器对准位置。其中pid算法为增量型pid，有误动作小，易于实现手动/自动的无扰动切换，不产生积分失的优点。
29.增量型pid输出公式为；式中，kp，ki，kd分别为增量式pid控制模块的比例、积分以及微分系数。
30.pid的控制参数整定由衰减曲线法（4:1或者10:1）获得，本实施例了中以4:1为例，如附图5所述，pid参数衰减曲线法4：1整定法具体包括以下步骤，s2a：将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零，即ti＝∞，td＝0；s2b：调节系统按纯比例作用投入，系统稳定后，逐步减小比例度，观察调节过程变化情况；s2c：判断调节过程变化是否达到规定的比4:1，如果没有，则重复步骤s2b；本实施例中在重复多次步骤s2b后得到p=17.5时第一次波峰出现于1.76s，次波峰出现于3.266s，δs稳态值为1.976，衰减操作周期ts为1.506。在次波峰处幅值为2.137，与稳态差值为0.171；第一次波峰处峰值为2.738，与稳态差值为0.722，计算所得两次插值接近4：1关系满足衰减曲线可以进行下一步；s2d：根据δs和ts值按经验公式计算出调节器整定参数，由此步可得到pid系统参数；
[0031][0032]
；s2e：将略大于步骤s2d中得到的调节器整定参数的数值，逐步引入系统中，观察运行，并逐步向小调整；此处带入kp=1.6得系统无明显振荡，输入ki=0.145和kd=0.15后得较佳的仿真实际输出与理想输出对比图，如附图6所示，理想输出与实际输出不存在稳态误差并在极小超调下恢复稳定。
[0033]
s2f：观察曲线是否满足整定要求，如果无法满足，则重复步骤s2e，直至找到满足
曲线要求的pid参数，完成整定；在本实施例中，曲线是满足整定要求，即无明显振荡影响系统稳定性，实际曲线与理想曲线重合即无明显稳态误差。
[0034]
此步完成pid控制系统参数的给定，将实时采集在pwm控制下的x轴遍历光强值，由数值最值算法得到遍历后x轴的最大光强值c0，和对应的pid的控制参数并由mcu送入pid控制。
[0035]
进一步的，s3：由pid控制模块控制x轴对应的步进电机，使准直器由c0值回扫x轴得到最强光强处p1，完成x轴准光强最值点对准；将计算所得理论最大光强值c送入mcu中，此时传感器返回实时光强值f与mcu，由pid行为控制err=c-f得插值，通过给定系统参数产生pwm调制波，经过继电器隔离控制信号控制步进电机转动将准直器送往理论最大光强位置，到达指定位置后x轴定位完成。
[0036]
具体操作过程比如：由0到1一共扫到1000个数据点，经过步骤s2计算最大光强点在第200个点位处，此时步进电机反转由1到达0.2处。pid行为控制是为了避免过调到达0.15处或者是稳态误差的出现，即只能移动到0.18。
[0037]
s4：实时采集在pwm控制下的y轴遍历光强值，得到遍历后y轴的最大光强值c1，和对应的pid的控制参数，并由mcu送入pid控制模块；s5：由pid控制模块控制y轴对应的步进电机，使准直器由c1值回扫y轴得到最强光强处p2，完成y轴准光强最值点对准；步骤s4和步骤s5与步骤s2和步骤s3的操作相同，区别之处仅在于操作方向为x轴和y轴。
[0038]
进一步的，s6：判断p2与p之间的大小关系，若p2³
p，则由z轴对应的步进电机驱动准直器与敏感芯片进行封装；若p2《p，重复步骤s2-s5，更新位移阈值c（每次遍历都会得到一个位移阈值c）和最大光强值c1，直至准直器移动到传感器封装支柱中心处即光强值最大处，自对准完成。
[0039]
到此步已经完成了x轴和y轴得定位，因为准直器可将普通石英光纤端面出射的发散光束变换为平行光束，提高后端光学组件的工作距离，此时判断初始给定p值与实时采集p2（为x轴y轴最大光强点位）之间的大小关系，如若小于p2则可接受，由z轴驱动插入光纤准直器。如大于p2则不可接收，重复步骤s2-s5，不断由数值最值算法更新位移阈值c和最大光强值p2，直至光纤准直器移动到封装支柱中心处即光强值最大处。整个系统通过采集实时光强与理论光强做比较的思路，最值算法提供精准的理论光强，pid控制系统精准定位，精准位移防止稳态误差和超调量的出现，且在未满足最大光强条件时可以重复以上步骤，确保准直器对光对准的准确性和精准度，由此mems传感器准直器自对准方法完成的系统使得自对准完成。
实施例3
[0040]
实施例三与实施例二的区别之处仅在于步骤s2中采用爬山法加布谷鸟搜索（cuckoo search）算法得到遍历后x轴的最大光强值c0，具体操作过程如附图7所示，包括以下步骤，s201c：首先初始化种群规模n即单轴光强采样点数，解空间维数d，迭代次数标志
位k，发现概率pa，转换参数ps；s202c：通过莱维飞行，此时单轴维度为1维随机长短相间飞行，其中莱维飞行计算公式，，u服从n（0，σu）正态分布，v服从n（0，σv）正态分布，其中, ，σv=1；s203c：通过莱维飞行随机得到的位置光强xi，移动到该点邻域，通过爬山法算法寻找局部最优解，输入迭代次数k=1，标志位i，j=1；s204c：判断当前光强xi值与光强x
i+1
值大小，当x
i+1
的值小于xi值，局部最优解为ci，即为局部最优光强点；s205c：将局部最优解ci送入nj，标志位j+1用于保存每个局部最优解地址，更新鸟窝位置即更新局部最优解标志位i；s206c：判断当前局部最优解是否满足转换参数，如满足则ci为全局最优解，如无法满足，重新通过莱维飞机寻找下一个随机数ci；s207c：重新确定xi的邻域，得到当前标志下的光强值xi，重新通过爬山法寻找局部最优解数据，同时通过标志位j保存最优解于参数n中，判断转换参数是否小于0到1间的随机数，如果满足nj和n
j+1
大小关系，则保存当前标志位i，此时局部最优解地址被替换为当前光强最大点ci，如无法满足则重新莱维飞机寻找下一个局部最优解；s208c：通过不断迭代k次，不断将局部最优解进行交换更新，最后得到当前轴的全局最优解，即光强最大值点c0。
实施例4
[0041]
实施例四与实施例二的区别之处仅在于，实施例四中由冒泡排序法得到遍历后x轴的最大光强值c0，具体操作过程如附图8所示，包括以下步骤，s201b：输入实时采集到的光强值数组[arr]，设置循环标志位i为数组数最大值；s202b：赋值位寻标志j为1；s203b：判断数组[arr]中第1位和第2位数值大小，如果第1位小于第2位则交换两数字位置，位寻标志j+1，直至判断到第j位和j+1位的数值大小关系，结束此轮循环，循环标志位i-1；s204b：重新赋值j为1，进行第二次排序，并重复步骤s202b~ s203b循环n次；s205b：第n次循环后i=0，此时数组中最高位数字为冒泡排序后上升到顶部的数组最大值，设数组[arr]第n位为最值c0，并输出到pid控制模块。
[0042]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种光纤f-p腔传感器自准直系统，包括mcu和执行单元，其特征在于：所述执行单元包括三个步进电机，三个所述步进电机分别用于控制准直器在x轴、y轴和z轴三个方向上的移动；mcu内嵌入设置有pid控制模块，所述pid控制模块与三个所述步进电机之间通过pwm控制；所述自准直系统还包括电源，所述mcu和三个所述步进电机均与所述电源连接。2.根据权利要求1所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统，其特征在于：所述mcu的外围电路包括复位电路、时钟电路和3.3v供电电路。3.如权利要求1或2所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于，包括以下步骤，s1：预先测定准直器准直后的光强值p，存入mcu中，并设置为pid控制模块的初始参数；s2：实时采集在pwm控制下的x轴遍历光强值，得到遍历后x轴的最大光强值c0，和对应的pid的控制参数，并由mcu送入pid控制模块；s3：由pid控制模块控制x轴对应的步进电机，使准直器由c0值回扫x轴得到最强光强处p1，完成x轴准光强最值点对准；s4：实时采集在pwm控制下的y轴遍历光强值，得到遍历后y轴的最大光强值c1，和对应的pid的控制参数，并由mcu送入pid控制模块；s5：由pid控制模块控制y轴对应的步进电机，使准直器由c1值回扫y轴得到最强光强处p2，完成y轴准光强最值点对准；s6：判断p2与p之间的大小关系，若p2³
p，则由z轴对应的步进电机驱动准直器与敏感芯片进行封装；若p2<p，重复步骤s2-s5，更新位移阈值c和最大光强值c1，直至准直器移动到传感器封装支柱中心处即光强值最大处，自对准完成。4.根据权利要求3所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于，步骤s2中由数值最值算法中的微分插值法得到遍历后x轴的最大光强值c0，具体操作包括以下步骤，s201a：设定初始点位的光强计算初始位置x0，y0，迭代标志h，点数量n；s202a：给定递增标志为n，最值点标志为k，并赋值n为1；s203a：赋值x1=x0+h，赋值y
p
=y0+hf(x0,y0)，y
c
=y0+hf(x1,y
p
)，通过迭代拟合得到微分函数y1=(y
p
+y
c
)/2；s204a：将新得到的y1和x1的值作为初始x0和y0回带入步骤s203a中，重复n次步骤s203a，得到n次迭代线性拟合微分式；s205a：最值标志位每经过一次迭代就会减1，可得到k=0，带入n次迭代拟合微分方程中获得最大光强值c0。5.根据权利要求3所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于，步骤s2中由数值最值算法中的冒泡排序法得到遍历后x轴的最大光强值c0，具体操作包括以下步骤，s201b：输入实时采集到的光强值数组[arr]，设置循环标志位i为数组数最大值；s202b：赋值位寻标志j为1；s203b：判断数组[arr]中第1位和第2位数值大小，如果第1位小于第2位则交换两数字位置，位寻标志j+1，直至判断到第j位和j+1位的数值大小关系，结束此轮循环，循环标志位
i-1；s204b：重新赋值j为1，进行第二次排序，并重复步骤s202b~ s203b循环n次；s205b：第n次循环后i=0，此时数组中最高位数字为冒泡排序后上升到顶部的数组最大值，设数组[arr]第n位为最值c0，并输出到pid控制模块。6.根据权利要求3所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于，步骤s2中由爬山法加布谷鸟搜索算法得到遍历后x轴的最大光强值c0，具体操作包括以下步骤，s201c：首先初始化种群规模n即单轴光强采样点数，解空间维数d，迭代次数标志位k，发现概率pa，转换参数ps；s202c：通过莱维飞行，此时单轴维度为1维随机长短相间飞行，其中莱维飞行计算公式，，u服从n（0，σ
u
）正态分布，v服从n（0，σ
v
）正态分布，其中, ，σ
v
=1；s203c：通过莱维飞行随机得到的位置光强x
i
，移动到该点邻域，通过爬山法算法寻找局部最优解，输入迭代次数k=1，标志位i，j=1；s204c：判断当前光强x
i
值与光强x
i+1
值大小，当x
i+1
的值小于x
i
值，局部最优解为c
i
，即为局部最优光强点；s205c：将局部最优解c
i
送入n
j
，标志位j+1用于保存每个局部最优解地址，更新鸟窝位置即更新局部最优解标志位i；s206c：判断当前局部最优解是否满足转换参数，如满足则c
i
为全局最优解，如无法满足，重新通过莱维飞机寻找下一个随机数c
i
；s207c：重新确定x
i
的邻域，得到当前标志下的光强值x
i
，重新通过爬山法寻找局部最优解数据，同时通过标志位j保存最优解于参数n中，判断转换参数是否小于0到1间的随机数，如果满足n
j
和n
j+1
大小关系，则保存当前标志位i，此时局部最优解地址被替换为当前光强最大点c
i
，如无法满足则重新莱维飞机寻找下一个局部最优解；s208c：通过不断迭代k次，不断将局部最优解进行交换更新，最后得到当前轴的全局最优解，即光强最大值点c0。7.根据权利要求4-6任一项所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于：步骤s2中所述的pid的控制参数为增量型pid，且增量型pid输出公式为；式中，kp，ki，kd分别为增量式pid控制模块的比例、积分以及微分系数。8.根据权利要求7所述的一种光纤f-p腔传感器自准直系统的自准直封装方法，其特征在于，pid的控制参数整定由衰减曲线法获得，具体包括以下步骤，s2a：将调节器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零，即ti＝∞，td＝0；s2b：调节系统按纯比例作用投入，系统稳定后，逐步减小比例度，观察调节过程变化情
况；s2c：判断调节过程变化是否达到规定的比，如果没有，则重复步骤s2b；若调节过程达到规定的比，则得到对应的衰减情况下的δ
s
和衰减操作周期t
s
；s2d：根据δ
s
和t
s
值按经验公式计算出调节器整定参数；s2e：将略大于步骤s2d中得到的调节器整定参数的数值，逐步引入系统中，观察运行，并逐步向小调整；s2f：观察曲线是否满足整定要求，如果无法满足，则重复步骤s2e，直至找到满足曲线要求的pid参数，完成整定。

技术总结
本发明公开了一种光纤F-P腔传感器自准直系统及其自准直封装方法，属于MEMS传感器技术领域，所述光纤F-P腔传感器自准直系统包括MCU和三个步进电机，三个所述步进电机分别用于控制准直器在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的移动；MCU内嵌入设置有PID控制模块，PID控制模块与三个步进电机之间通过PWM控制。本发明中的光纤F-P腔传感器自准直系统通过采集实时光强与理论光强做比较的思路，最值算法提供精准的理论光强，PID控制系统精准定位，精准位移防止稳态误差和超调量的出现，且在未满足最大光强条件时可以重复进行操作和对比，确保准直器对光对准的准确性和精准度，由此可以精确的实现MEMS传感器准直器自对准。MEMS传感器准直器自对准。MEMS传感器准直器自对准。


技术研发人员：马志波 李若飞 王嘉言 喜奇 苑伟政
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/21