本申請要求2016年10月31日提交的，申請?zhí)朇N2016109313956的中國發(fā)明專利申請的優(yōu)選權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測方法。

背景技術(shù)：

面向高性能飛行器結(jié)構(gòu)形態(tài)主動監(jiān)測研究背景下，對于形狀的檢測裝置具有重量輕、體積小、抗磁能力強(qiáng)、適應(yīng)極端惡劣環(huán)境的要求。在這種極端苛刻要求下，以光纖光柵原理的形狀感知傳感器具有很大優(yōu)勢。

面向航空航天器柔性結(jié)構(gòu)形變狀態(tài)主動監(jiān)測研究，分布式智能傳感技術(shù)及其信息處理方法構(gòu)成關(guān)鍵內(nèi)容之一?；诜且曈X傳感方法將光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分布式植入于待監(jiān)測結(jié)構(gòu)，通過獲取結(jié)構(gòu)形變的分布傳感信息并進(jìn)行處理，進(jìn)而基于相關(guān)重建算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)振動狀態(tài)可視化；其中，對于細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)的分布植入式傳感陣列檢測技術(shù)，以及基于分布曲率信息的空間曲線重構(gòu)方法研究，對于航空航天若干典型柔性結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螒B(tài)主動監(jiān)測，如桁架結(jié)構(gòu)、龍骨結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)，更具有現(xiàn)實(shí)和重要的意義。但是，目前采用的柔性材料空間檢測方法采用的光纖光柵傳感器存在靈敏度低，檢測點(diǎn)信號光譜解調(diào)混疊，波長漂移量過大的問題，使重構(gòu)的三維空間曲線不能準(zhǔn)確還原被檢測物體的形狀。

因此，需要一種有效降低檢測點(diǎn)信號光譜解調(diào)混疊、完美重構(gòu)三維空間曲線的基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測方法，所述方法包括如下步驟：

a、在柔性檢測桿上布置三根長啁啾光纖光柵，其中所述長啁啾光纖光柵等間距陣列于柔性檢測桿表面，使相鄰光纖光柵在柔性檢測桿縱截面的夾角成120度，每根長啁啾光纖光柵的光柵≤20個(gè)；

b、確定柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)；

c、將布置有所述三根長啁啾光纖光柵的柔性檢測桿置于待測物表面，獲取待測物表面檢測點(diǎn)的應(yīng)變信號；

d、將步驟c中獲取的所述應(yīng)變信號通過光開關(guān)送至光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)為波長信號；

e、將所述波長信號轉(zhuǎn)換為三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率，并由所述三根光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率計(jì)算得到所述柔性檢測桿的曲率；

f、根據(jù)所述柔性檢測桿的曲率建立遞推數(shù)學(xué)模型繪制三維空間曲線還原待測物的形狀。

優(yōu)選地，每根長啁啾光纖光柵的光柵選用5-7個(gè)。

優(yōu)選地，每根長啁啾光纖光柵的光柵均勻分布。

優(yōu)選地，所述柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)通過圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定，具體步驟為：

b1、記錄所述柔性檢測桿不同彎曲狀態(tài)下的曲率半徑，以及對應(yīng)該狀態(tài)下所述每根長啁啾光纖光柵的中心波長；

b2、將步驟b1中得到曲率半徑和所述中心波長通過數(shù)據(jù)擬合得到柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟e中通過柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)將所述波長信號轉(zhuǎn)換為三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率。

優(yōu)選地，所述步驟e中柔性檢測桿的曲率通過將三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率轉(zhuǎn)換為x軸和y軸方向上的曲率得到。

優(yōu)選地，所述三維空間曲線的繪制方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

f1、將柔性檢測桿每一個(gè)檢測點(diǎn)建立自坐標(biāo)系，確定每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的弧角；

f2、構(gòu)建相鄰兩個(gè)檢測點(diǎn)的遞推矩陣，將后一個(gè)檢測點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至前一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的自坐標(biāo)；

f3、重復(fù)步驟f2將所有的檢測點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至基坐標(biāo)，完成曲線繪制。

優(yōu)選地，所述柔性檢測桿選用0.8mm直徑鈦鎳合金材料制成。

本發(fā)明提供的基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測方法，在整個(gè)被測物體上放置多個(gè)曲率檢測長啁啾光纖光柵，對多點(diǎn)的曲率檢測是以并行方式同時(shí)進(jìn)行的，因此整個(gè)形狀檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，既能適用腔道內(nèi)的曲線檢測，也能適用任意空間曲線的檢測。本發(fā)明采用三根長啁啾光纖光柵等間距陣列于柔性檢測桿表面，每根長啁啾光纖光柵的光柵≤20個(gè)，有效降低檢測點(diǎn)信號光譜解調(diào)混疊和波長漂移量過大的問題，使重構(gòu)的三維空間曲線能準(zhǔn)確還原被檢測物體的形狀。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出了本發(fā)明所采用的柔性材料空間檢測系統(tǒng)示意圖；

圖2示出了長啁啾光纖光柵波長漂移示意圖；

圖3示出了本發(fā)明基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測流程框圖；

圖4示出了本發(fā)明柔性檢測桿的曲率ρ與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ的關(guān)系示意圖；

圖5示出了本發(fā)明三根長啁啾光纖光柵的分布以及檢測點(diǎn)分布示意圖；

圖6示出了本發(fā)明檢測桿曲率計(jì)算示意圖；

圖7示出了本發(fā)明三維空間曲線繪制過程示意圖；

圖8示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中被檢測柔性材料形狀；

圖9示出了本發(fā)明重構(gòu)的柔性材料形狀。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

下文的本實(shí)施例中，對本發(fā)明基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測方法進(jìn)行說明之前，需要對本發(fā)明所采用的檢測系統(tǒng)進(jìn)行說明，如圖1所示本發(fā)明所采用的柔性材料空間檢測系統(tǒng)示意圖，檢測系統(tǒng)100包括寬帶光源103、光纖光柵耦合器104、光開關(guān)105、光纖光柵解調(diào)儀102、顯示器101以及長啁啾光纖光柵陣列106，其中長啁啾光纖光柵陣列包括三根長啁啾光纖光柵，每根長啁啾光纖光柵1061上具有數(shù)目不多于20個(gè)的光柵10611。優(yōu)選地，本實(shí)施例中選用6個(gè)光柵。

對柔性材料空間形狀檢測時(shí)，將三根長啁啾光纖光柵10611粘貼在柔性檢測桿上，對于柔性檢測桿變形進(jìn)行信號采集，對信號處理后重建柔性檢測桿的三維空間形狀，從而還原柔性材料空間形狀。優(yōu)選地，本實(shí)施例中選用0.8mm直徑鈦鎳合金材料作為柔性檢測桿，從而使檢測桿具有更加穩(wěn)定的變形，以保證與被測物體變形保持一致。

如圖1所示，寬帶光源103發(fā)射光波，經(jīng)光纖光柵耦合器104和光開關(guān)105進(jìn)入長啁啾光纖光柵陣列106獲取檢測桿的應(yīng)變信號，之后獲取的應(yīng)變信號通過光開關(guān)105和光纖光柵耦合器104送至光纖光柵解調(diào)儀轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送至顯示器101進(jìn)行處理并將轉(zhuǎn)換為三維空間曲線顯示。優(yōu)選地，光開關(guān)選用1×4的光開關(guān)。

為了更加清楚的對本發(fā)明就行說明，對啁啾光纖光柵的傳感過程進(jìn)行說明，如圖2所示長啁啾光纖光柵波長漂移示意圖，長啁啾光纖光柵在正常情況下，波長不產(chǎn)生漂移，波譜B穩(wěn)定。當(dāng)啁啾光纖光柵的啁啾光柵A在收到外力作用時(shí)，光柵柵格產(chǎn)生變化引起波長漂移，從而引起波譜C變化。本發(fā)明選用長啁啾光纖光柵增減檢測靈敏度，使重構(gòu)的三維空間曲線更加接近被測物體的空間形狀。

下面通過本實(shí)施例對本發(fā)明的詳細(xì)檢測方法進(jìn)行說明，為了更加清楚簡潔的說明本發(fā)明，實(shí)施例中將三根長啁啾光纖光柵分別表為光纖a、光纖b和光纖c，每根長啁啾光纖光柵上有6個(gè)光柵作為檢測點(diǎn)。如圖3所示本發(fā)明基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測流程框圖，具體地，本發(fā)明提供的基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀檢測方法具體包括如下步驟：

步驟S101、在柔性檢測桿上布置長啁啾三根光纖光柵，其中所述長啁啾光纖光柵等間距陣列于柔性檢測桿表面，使相鄰長啁啾光纖光柵在柔性檢測桿縱截面的夾角成120度，每根長啁啾光纖光柵的光柵≤20個(gè)。

步驟S102、確定柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)。柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)K通過圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定，具體過程為：

(1)將柔性檢測桿改變形狀，記錄所述柔性檢測桿不同彎曲狀態(tài)下的曲率ρ，以及對應(yīng)該狀態(tài)下所述每根長啁啾光纖光柵的中心波長λ。

(2)將得到的柔性檢測桿的曲率ρ和對應(yīng)的長啁啾光纖光柵的中心波長λ通過數(shù)據(jù)擬合得到柔性檢測桿的曲率ρ與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ之間的比例系數(shù)K，其中K＝λ×ρ。如圖4所示為柔性檢測桿的曲率ρ與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ的關(guān)系示意圖。

步驟S103、將布置有所述三根長啁啾光纖光柵的柔性檢測桿置于待測物表面，獲取待測物表面檢測點(diǎn)的應(yīng)變信號。

步驟S104、將步驟S103中獲取的所述應(yīng)變信號通過光開關(guān)送至光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)為波長信號。

步驟S105、將所述波長信號轉(zhuǎn)換為三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率，并由所述三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率計(jì)算得到所述柔性檢測桿的曲率。具體為：

(1)通過柔性檢測桿的曲率與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)將所述波長信號轉(zhuǎn)換為三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率。

(2)柔性檢測桿的曲率通過將三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率轉(zhuǎn)換為x軸和y軸方向上的曲率得到。

如圖5所示本發(fā)明三根長啁啾光纖光柵的分布以及檢測點(diǎn)分布示意圖，圖6所示本發(fā)明檢測桿曲率計(jì)算示意圖，波長信號轉(zhuǎn)換為光纖a、光纖b和光纖c三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率，其中，光纖a、光纖b和光纖c檢測點(diǎn)的曲率分為ρ_a、ρ_b和ρ_c。上述波長信號轉(zhuǎn)換為長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率，由柔性檢測桿201的曲率ρ與每根長啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ之間的比例系數(shù)K的關(guān)系K＝λ×ρ進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。

將三根長啁啾光纖光柵檢測點(diǎn)的曲率ρ_a、ρ_b和ρ_c轉(zhuǎn)換為檢測桿x軸和y軸方向上的曲率，其中

x軸方向的曲率為：

y軸方向的曲率為：

從而得到柔性檢測桿201的曲率：檢測桿x軸和y軸方向的曲率夾角為：

步驟S106、根據(jù)所述柔性檢測桿的曲率建立遞推數(shù)學(xué)模型繪制三維空間曲線還原待測物的形狀。其中

三維空間曲線的繪制方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)、將柔性檢測桿每一個(gè)檢測點(diǎn)建立自坐標(biāo)系，確定每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的弧角；

(2)、構(gòu)建相鄰兩個(gè)檢測點(diǎn)的遞推矩陣，將后一個(gè)檢測點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至前一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的自坐標(biāo)系；

(3)、重復(fù)步驟f2將所有的檢測點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至基坐標(biāo)系中，完成曲線繪制。

下面對上述三維空間曲線的繪制做具體說明，如圖7所示本發(fā)明三維空間曲線繪制過程示意圖，選取柔性檢測桿相鄰的兩個(gè)檢測點(diǎn)，將其中一個(gè)檢測點(diǎn)用i表示，則與其相鄰的檢測點(diǎn)為i+1。對檢測點(diǎn)i建立自坐標(biāo)系，檢測點(diǎn)i位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，檢測點(diǎn)i的曲率為ρ_i，與x軸的夾角為a_i，由相鄰檢測點(diǎn)之間的曲線段弧線s，得到檢測點(diǎn)i的弧角

檢測點(diǎn)i+1的坐標(biāo)為(d_ia,d_ib,d_ic)，檢測點(diǎn)i+1的曲率為ρ_i+1，與x軸的夾角為a_i+1，由相鄰檢測點(diǎn)之間的曲線段弧線s，得到檢測點(diǎn)i的弧角依次確定每個(gè)檢測點(diǎn)的弧角。

構(gòu)建相鄰兩個(gè)檢測點(diǎn)的遞推矩陣：

上述遞推矩陣滿足：t_i＝P×R1×R2×R3，且T_i+1＝T_i×t_i，其中T為方向向量，檢測點(diǎn)i+1相對于檢測點(diǎn)i點(diǎn)坐標(biāo)為F＝T_i+1×M_i+1，其中M_i+1＝[d_ia,d_ib,d_ic,1]^T，由此，將檢測點(diǎn)i＝0,1,…,n的坐標(biāo)依次遞推至基坐標(biāo)系中，完成曲線繪制。如圖8所示實(shí)施例中被檢測柔性材料形狀，圖9所示重構(gòu)的柔性材料形狀。

本實(shí)施例在檢測開始前，將檢測系統(tǒng)長啁啾光纖光柵陣列的三根光纖光柵等間距成120度粘貼在檢測桿表面，以每個(gè)長啁啾光纖光柵的光柵為檢測點(diǎn)，每根長啁啾光纖光柵的光柵均勻分布，本發(fā)明實(shí)施例中選用長啁啾光纖光柵有效增加采集應(yīng)變的靈敏性，并且每根長啁啾光纖光柵的光柵為6個(gè)，從而保證在被測物應(yīng)變過大時(shí)，各個(gè)檢測點(diǎn)光譜解調(diào)不發(fā)生混疊。在另一些實(shí)施例中，每根長啁啾光纖光柵的光柵選用不多于20個(gè)，優(yōu)選用5-7個(gè)。

本發(fā)明整個(gè)檢測系由長啁啾光纖光柵陣列、光纖光柵解調(diào)儀、光開關(guān)和顯示器組成，不需要額外的輔助檢測設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的組成簡單，無放射線對人體發(fā)生傷害。

本發(fā)明檢測方法測量范圍大，可以對微小尺寸下進(jìn)行動態(tài)的大應(yīng)變測量，具有極強(qiáng)的耐腐蝕，抗電磁干擾能力，適應(yīng)惡劣環(huán)境下的形狀測量。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。