【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，尤其涉及一种基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统及其设计方法、测量方法。
技术介绍
1、电子信息，航空航天，桥梁隧道，钻井勘探，太阳能发电，这些基础工业建设过程中，倾斜角度和旋转角度始终是一个绕不开的话题，也是这些基础建设中一个重要且有意义的几何参数，通过对倾斜角，旋转角的测量，可以得到被测量对象的一些特征，从而定量的去分析被测量对象的变化趋势。倾角测量的准确度直接影响了施工精度和工业产品的机械结构。测量的倾角的微小误差可能导致严重的工程事故，因此角度的测量是工业生产中极为关键的环节。
2、万物互联的人工智能时代，磁电式传感器由于结构复杂、抗干扰性差、智能化差等特点，已经不适应未来的应用场景。对旋转角，倾斜角的测量也提出更高更严格的要求，出于安全性的考虑，不得不在一些重要的领域，抛弃传统的磁电式传感器，从而去寻找一种更加安全，精度更高的倾角传感器。
3、传统方法测量倾角和旋转角有很多种，比如电子式倾角传感器，加速度式倾角传感器等。但是对于一些重要的军工或者电子领域，传统的倾角传感器明显存在着不足之处，比如难以抵挡电磁干扰，不够智能化，水侵盐蚀、高温极寒等极端恶劣环境无法适用等。
4、伴随着光纤技术的飞速发展，特别是在4g和5g时代，应用场景多而广，另外光纤也具有天然的优势，既可以作为传输光信号的载体进行信号传输，又可以使用其特性感知外界周围环境的变化，即所谓的既传有感。并且其自身还有抗干扰能力更强，耐久性更好，耐腐蚀，更适用于极端环境的检测，成本低等优点。所
技术实现思路
1、为了克服现有的倾角传感器存在的缺陷，而提供一种基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统以及设计方法、测量方法。通过y型光纤的输入端将光信号传输到倾角传感器的反射端面，输入的光信号通过反射端面后，单路光信号被反射到多路光纤中输出，在光源输出恒定的情况下，输出端的光信号完全由反射行为决定，反射体自身的性质、与反射体间的夹角、距离、介质等因素都会改变光路，进而改变输出端的光信号。反之，在控制反射行为保持单一变量的条件下，根据光信号的不同，就可以反演得出该单一变量的信息。对于本传感器来说，需要得到的是倾斜角和旋转角信息，因此主纤芯的入射方向就是单一变量，每一个方向都对应着唯一的光信号输出。只要采集不同角度下的光信号，就能够还原出原始的角度信息。因此可以从输出的多路光信号中计算出倾角传感器倾斜或者旋转的角度，达到测量倾斜角和旋转角的目的。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，包括倾角传感器和机械臂，所述倾角传感器包括y型光纤和反射端面，反射端面前端置于反射体，所述y型光纤由输入端单芯光纤，输出端多芯光纤和反射探头端组成，所述机械臂上安装部署倾角传感器，将倾角传感器以无损的方式固定于待测量的对象上，保证倾角传感器处于水平状态，输入端单芯光纤与激光光源相连，输出端多芯光纤与光信号采集单元相连，所述光信号采集单元与数据处理单元相连，所述光信号采集单元用于将多芯光纤输出的多路光信号转换为数字信号；通过所述机械臂对倾角传感器进行一定速率的转动，以倾斜固定的角度采集样本点，倾斜固定的角度基于获取的样本点输入构建的模型对倾斜角和旋转角进行训练，进而在实际测量时对待测量的对象进行倾斜角度和旋转角度的预测。
4、进一步地，单芯光纤内部放置一根纤芯作为主纤芯；多芯光纤内部放置6根纤芯，作为副纤芯，每一根纤芯都独立的传输光信号。
5、进一步地，所述倾角传感器还包括容器，所述容器用于固定y型光纤，防止发生侧滑。
6、进一步地，所述光信号采集单元基于多芯光纤各纤芯亮度的改变获取相应的入射光信号，具体地，y型光纤的副纤芯没有光源输入，当反射端面没有遮挡时，从主纤芯入射的光线全部从反射端面的小孔中射出，输出端不亮，当反射端面小孔被封闭或端面前放置有反射镜片时，主纤芯入射的光在反射后射回小孔，进入副纤芯中，输出端的六个纤芯相应亮起，同时，除了反射镜片垂直于主纤芯的情况，反射光不能均匀射入每个纤芯中，因此输出端六根纤芯的亮暗程度是不一致的，为了表征输出端纤芯的光强度分布，把光信号采集单元采集的数据称为图案，每个纤芯亮度的改变都对应着图案的改变，并且每一种图案具有唯一性。
7、本专利技术还公开上述基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统的设计方法，包括如下步骤：
8、步骤1、选取7根直径为1～2mm，一定长度的商用光纤，保证每一根光纤两端的截面光滑平整；
9、步骤2、选取两根对应商用光纤长度的橡胶薄皮，橡胶薄皮a和橡胶薄皮b具有不同的直径；
10、步骤3、取出一根准备好的光纤，将光纤装进直径较小的橡胶薄皮a中，制作好单芯光纤截面；
11、步骤4、取出准备好的另外6根光纤，然后将另外6根光纤围绕在包好的单芯光纤的周围，使用胶体固定7根光纤位置，然后将固定好的7根光纤使用螺丝固定稳定，7根光纤的截面保持整齐平整，制作好多芯光纤反射端面；
12、步骤5、通过橡胶薄皮b把另外6根光纤包裹起来，保证长度统一，截面光滑平整，制作好y型光纤；
13、步骤6、在y型光纤上面固定好准备好的容器；
14、步骤7、在y型光纤的反射端面处制作反射体。
15、进一步地，基于反射体的选择形成对应的反射方案，所述反射方案包括水平反射镜法、固定反射镜法、胶体包裹端面法。
16、进一步地，胶体包裹端面法制作的反射体基于如下方法制作：
17、步骤a1、称取8～12g卡拉胶、瓜尔胶、果胶的混合粉末加入小烧杯中，量取40～45ml的水倒入烧杯，对烧杯进行水浴加热，同时使用搅拌器不断搅拌，确保混合均匀；
18、步骤a2、选择一个直径大于光纤反射探头端面的圆底塑料管，将光纤反射端面探入管内一定距离并固定，当胶、水混合物达到90摄氏度以上时，用胶头滴管吸取一定量的胶水混合物，滴入塑料管中，静置五分钟使胶体凝固。
19、本专利技术还公开了基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统倾斜角和旋转角的测量方法，包括如下步骤：
20、步骤b1、在机械臂上安装部署倾角传感器，将制备好的倾角传感器以无损的方式固定于待测量的对象上，保证倾角传感器处于水平状态，具体地，在倾角传感器的y型光纤的反射端面前端设置反射体；
21、步骤b2、将制作好的倾角传感器的一端连接于激光光源，通过激光光源输入光信号；
22、步骤b3、将多芯光纤的截面置于光信号采集单元下面；
23、步骤b4、使用计算机控制机械臂，保证机械臂以一定的速率进行转动，每一次倾斜固定的角度，选取一定量的样本点；
24、步骤b5、使用光信号采集单元收集每一次机械臂转动时候的光信号数据，然后将数据转换为数字信号传输到数据处本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特征在于，包括：倾角传感器和机械臂，所述倾角传感器包括Y型光纤和反射端面，反射端面前端置于反射体，所述Y型光纤由输入端单芯光纤，输出端多芯光纤和反射探头端组成，所述机械臂上安装部署倾角传感器，将倾角传感器以无损的方式固定于待测量的对象上，保证倾角传感器处于水平状态，输入端单芯光纤与激光光源相连，输出端多芯光纤与光信号采集单元相连，所述光信号采集单元与数据处理单元相连，所述光信号采集单元用于将多芯光纤输出的多路光信号转换为数字信号；通过所述机械臂对倾角传感器进行一定速率的转动，以倾斜固定的角度采集样本点，倾斜固定的角度基于获取的样本点输入构建的模型对倾斜角和旋转角进行训练，进而在实际测量时对待测量的对象进行倾斜角度和旋转角度的预测。
2.根据权利要求1所述的基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特征在于，单芯光纤内部放置一根纤芯作为主纤芯；多芯光纤内部放置6根纤芯，作为副纤芯，每一根纤芯都独立的传输光信号。
3.根据权利要求1所述的基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特
4.根据权利要求1所述的基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特征在于，所述光信号采集单元基于多芯光纤各纤芯亮度的改变获取相应的入射光信号，具体地，Y型光纤的副纤芯没有光源输入，当反射端面没有遮挡时，从主纤芯入射的光线全部从反射端面的小孔中射出，输出端不亮，当反射端面小孔被封闭或端面前放置有反射镜片时，主纤芯入射的光在反射后射回小孔，进入副纤芯中，输出端的六个纤芯相应亮起，同时，除了反射镜片垂直于主纤芯的情况，反射光不能均匀射入每个纤芯中，因此输出端六根纤芯的亮暗程度是不一致的，为了表征输出端纤芯的光强度分布，把光信号采集单元采集的数据称为图案，每个纤芯亮度的改变都对应着图案的改变，并且每一种图案具有唯一性。
5.一种权利要求1～4任一项基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，基于反射体的选择形成对应的反射方案，所述反射方案包括水平反射镜法、固定反射镜法、胶体包裹端面法。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，胶体包裹端面法制作的反射体基于如下方法制作：
8.一种权利要求1～4任一项基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特征在于，包括：倾角传感器和机械臂，所述倾角传感器包括y型光纤和反射端面，反射端面前端置于反射体，所述y型光纤由输入端单芯光纤，输出端多芯光纤和反射探头端组成，所述机械臂上安装部署倾角传感器，将倾角传感器以无损的方式固定于待测量的对象上，保证倾角传感器处于水平状态，输入端单芯光纤与激光光源相连，输出端多芯光纤与光信号采集单元相连，所述光信号采集单元与数据处理单元相连，所述光信号采集单元用于将多芯光纤输出的多路光信号转换为数字信号；通过所述机械臂对倾角传感器进行一定速率的转动，以倾斜固定的角度采集样本点，倾斜固定的角度基于获取的样本点输入构建的模型对倾斜角和旋转角进行训练，进而在实际测量时对待测量的对象进行倾斜角度和旋转角度的预测。
2.根据权利要求1所述的基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特征在于，单芯光纤内部放置一根纤芯作为主纤芯；多芯光纤内部放置6根纤芯，作为副纤芯，每一根纤芯都独立的传输光信号。
3.根据权利要求1所述的基于机器学习和倾角传感器的倾斜角和旋转角测量系统，其特征在于，所述倾角传感器还包括容器，所述容器用于固定y型光纤，防止发生侧滑。
4.根据权利要求1所述的基于机器...
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