一种基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法与流程

本申请要求2016年10月31日提交的，申请号CN2016109313956的中国发明专利申请的优选权。

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法。

背景技术：

面向高性能飞行器结构形态主动监测研究背景下，对于形状的检测装置具有重量轻、体积小、抗磁能力强、适应极端恶劣环境的要求。在这种极端苛刻要求下，以光纤光栅原理的形状感知传感器具有很大优势。

面向航空航天器柔性结构形变状态主动监测研究，分布式智能传感技术及其信息处理方法构成关键内容之一。基于非视觉传感方法将光纤光栅传感网络分布式植入于待监测结构，通过获取结构形变的分布传感信息并进行处理，进而基于相关重建算法实现结构形态重构，并实现振动状态可视化；其中，对于细长柔性结构的分布植入式传感阵列检测技术，以及基于分布曲率信息的空间曲线重构方法研究，对于航空航天若干典型柔性结构的拓扑形态主动监测，如桁架结构、龙骨结构和天线结构，更具有现实和重要的意义。但是，目前采用的柔性材料空间检测方法采用的光纤光栅传感器存在灵敏度低，检测点信号光谱解调混叠，波长漂移量过大的问题，使重构的三维空间曲线不能准确还原被检测物体的形状。

因此，需要一种有效降低检测点信号光谱解调混叠、完美重构三维空间曲线的基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法，所述方法包括如下步骤：

a、在柔性检测杆上布置三根长啁啾光纤光栅，其中所述长啁啾光纤光栅等间距阵列于柔性检测杆表面，使相邻光纤光栅在柔性检测杆纵截面的夹角成120度，每根长啁啾光纤光栅的光栅≤20个；

b、确定柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数；

c、将布置有所述三根长啁啾光纤光栅的柔性检测杆置于待测物表面，获取待测物表面检测点的应变信号；

d、将步骤c中获取的所述应变信号通过光开关送至光纤光栅解调仪解调为波长信号；

e、将所述波长信号转换为三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率，并由所述三根光纤光栅检测点的曲率计算得到所述柔性检测杆的曲率；

f、根据所述柔性检测杆的曲率建立递推数学模型绘制三维空间曲线还原待测物的形状。

优选地，每根长啁啾光纤光栅的光栅选用5-7个。

优选地，每根长啁啾光纤光栅的光栅均匀分布。

优选地，所述柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数通过圆弧样条曲线标定方法确定，具体步骤为：

b1、记录所述柔性检测杆不同弯曲状态下的曲率半径，以及对应该状态下所述每根长啁啾光纤光栅的中心波长；

b2、将步骤b1中得到曲率半径和所述中心波长通过数据拟合得到柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数。

优选地，所述步骤e中通过柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数将所述波长信号转换为三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率。

优选地，所述步骤e中柔性检测杆的曲率通过将三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率转换为x轴和y轴方向上的曲率得到。

优选地，所述三维空间曲线的绘制方法通过如下步骤实现：

f1、将柔性检测杆每一个检测点建立自坐标系，确定每个监测点的弧角；

f2、构建相邻两个检测点的递推矩阵，将后一个检测点的自坐标递推至前一个监测点的自坐标；

f3、重复步骤f2将所有的检测点的自坐标递推至基坐标，完成曲线绘制。

优选地，所述柔性检测杆选用0.8mm直径钛镍合金材料制成。

本发明提供的基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法，在整个被测物体上放置多个曲率检测长啁啾光纤光栅，对多点的曲率检测是以并行方式同时进行的，因此整个形状检测系统可以实现实时检测，既能适用腔道内的曲线检测，也能适用任意空间曲线的检测。本发明采用三根长啁啾光纤光栅等间距阵列于柔性检测杆表面，每根长啁啾光纤光栅的光栅≤20个，有效降低检测点信号光谱解调混叠和波长漂移量过大的问题，使重构的三维空间曲线能准确还原被检测物体的形状。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明所采用的柔性材料空间检测系统示意图；

图2示出了长啁啾光纤光栅波长漂移示意图；

图3示出了本发明基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测流程框图；

图4示出了本发明柔性检测杆的曲率ρ与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长λ的关系示意图；

图5示出了本发明三根长啁啾光纤光栅的分布以及检测点分布示意图；

图6示出了本发明检测杆曲率计算示意图；

图7示出了本发明三维空间曲线绘制过程示意图；

图8示出了本发明一个实施例中被检测柔性材料形状；

图9示出了本发明重构的柔性材料形状。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

下文的本实施例中，对本发明基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测方法进行说明之前，需要对本发明所采用的检测系统进行说明，如图1所示本发明所采用的柔性材料空间检测系统示意图，检测系统100包括宽带光源103、光纤光栅耦合器104、光开关105、光纤光栅解调仪102、显示器101以及长啁啾光纤光栅阵列106，其中长啁啾光纤光栅阵列包括三根长啁啾光纤光栅，每根长啁啾光纤光栅1061上具有数目不多于20个的光栅10611。优选地，本实施例中选用6个光栅。

对柔性材料空间形状检测时，将三根长啁啾光纤光栅10611粘贴在柔性检测杆上，对于柔性检测杆变形进行信号采集，对信号处理后重建柔性检测杆的三维空间形状，从而还原柔性材料空间形状。优选地，本实施例中选用0.8mm直径钛镍合金材料作为柔性检测杆，从而使检测杆具有更加稳定的变形，以保证与被测物体变形保持一致。

如图1所示，宽带光源103发射光波，经光纤光栅耦合器104和光开关105进入长啁啾光纤光栅阵列106获取检测杆的应变信号，之后获取的应变信号通过光开关105和光纤光栅耦合器104送至光纤光栅解调仪转换成数字信号，送至显示器101进行处理并将转换为三维空间曲线显示。优选地，光开关选用1×4的光开关。

为了更加清楚的对本发明就行说明，对啁啾光纤光栅的传感过程进行说明，如图2所示长啁啾光纤光栅波长漂移示意图，长啁啾光纤光栅在正常情况下，波长不产生漂移，波谱B稳定。当啁啾光纤光栅的啁啾光栅A在收到外力作用时，光栅栅格产生变化引起波长漂移，从而引起波谱C变化。本发明选用长啁啾光纤光栅增减检测灵敏度，使重构的三维空间曲线更加接近被测物体的空间形状。

下面通过本实施例对本发明的详细检测方法进行说明，为了更加清楚简洁的说明本发明，实施例中将三根长啁啾光纤光栅分别表为光纤a、光纤b和光纤c，每根长啁啾光纤光栅上有6个光栅作为检测点。如图3所示本发明基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状的检测流程框图，具体地，本发明提供的基于啁啾光纤光栅的柔性材料空间形状检测方法具体包括如下步骤：

步骤S101、在柔性检测杆上布置长啁啾三根光纤光栅，其中所述长啁啾光纤光栅等间距阵列于柔性检测杆表面，使相邻长啁啾光纤光栅在柔性检测杆纵截面的夹角成120度，每根长啁啾光纤光栅的光栅≤20个。

步骤S102、确定柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数。柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数K通过圆弧样条曲线标定方法确定，具体过程为：

(1)将柔性检测杆改变形状，记录所述柔性检测杆不同弯曲状态下的曲率ρ，以及对应该状态下所述每根长啁啾光纤光栅的中心波长λ。

(2)将得到的柔性检测杆的曲率ρ和对应的长啁啾光纤光栅的中心波长λ通过数据拟合得到柔性检测杆的曲率ρ与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长λ之间的比例系数K，其中K＝λ×ρ。如图4所示为柔性检测杆的曲率ρ与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长λ的关系示意图。

步骤S103、将布置有所述三根长啁啾光纤光栅的柔性检测杆置于待测物表面，获取待测物表面检测点的应变信号。

步骤S104、将步骤S103中获取的所述应变信号通过光开关送至光纤光栅解调仪解调为波长信号。

步骤S105、将所述波长信号转换为三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率，并由所述三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率计算得到所述柔性检测杆的曲率。具体为：

(1)通过柔性检测杆的曲率与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长之间的比例系数将所述波长信号转换为三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率。

(2)柔性检测杆的曲率通过将三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率转换为x轴和y轴方向上的曲率得到。

如图5所示本发明三根长啁啾光纤光栅的分布以及检测点分布示意图，图6所示本发明检测杆曲率计算示意图，波长信号转换为光纤a、光纤b和光纤c三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率，其中，光纤a、光纤b和光纤c检测点的曲率分为ρ_a、ρ_b和ρ_c。上述波长信号转换为长啁啾光纤光栅检测点的曲率，由柔性检测杆201的曲率ρ与每根长啁啾光纤光栅的光栅点波长λ之间的比例系数K的关系K＝λ×ρ进行转换得到。

将三根长啁啾光纤光栅检测点的曲率ρ_a、ρ_b和ρ_c转换为检测杆x轴和y轴方向上的曲率，其中

x轴方向的曲率为：

y轴方向的曲率为：

从而得到柔性检测杆201的曲率：检测杆x轴和y轴方向的曲率夹角为：

步骤S106、根据所述柔性检测杆的曲率建立递推数学模型绘制三维空间曲线还原待测物的形状。其中

三维空间曲线的绘制方法通过如下步骤实现：

(1)、将柔性检测杆每一个检测点建立自坐标系，确定每个监测点的弧角；

(2)、构建相邻两个检测点的递推矩阵，将后一个检测点的自坐标递推至前一个监测点的自坐标系；

(3)、重复步骤f2将所有的检测点的自坐标递推至基坐标系中，完成曲线绘制。

下面对上述三维空间曲线的绘制做具体说明，如图7所示本发明三维空间曲线绘制过程示意图，选取柔性检测杆相邻的两个检测点，将其中一个检测点用i表示，则与其相邻的检测点为i+1。对检测点i建立自坐标系，检测点i位于坐标系原点，检测点i的曲率为ρ_i，与x轴的夹角为a_i，由相邻检测点之间的曲线段弧线s，得到检测点i的弧角

检测点i+1的坐标为(d_ia,d_ib,d_ic)，检测点i+1的曲率为ρ_i+1，与x轴的夹角为a_i+1，由相邻检测点之间的曲线段弧线s，得到检测点i的弧角依次确定每个检测点的弧角。

构建相邻两个检测点的递推矩阵：

上述递推矩阵满足：t_i＝P×R1×R2×R3，且T_i+1＝T_i×t_i，其中T为方向向量，检测点i+1相对于检测点i点坐标为F＝T_i+1×M_i+1，其中M_i+1＝[d_ia,d_ib,d_ic,1]^T，由此，将检测点i＝0,1,…,n的坐标依次递推至基坐标系中，完成曲线绘制。如图8所示实施例中被检测柔性材料形状，图9所示重构的柔性材料形状。

本实施例在检测开始前，将检测系统长啁啾光纤光栅阵列的三根光纤光栅等间距成120度粘贴在检测杆表面，以每个长啁啾光纤光栅的光栅为检测点，每根长啁啾光纤光栅的光栅均匀分布，本发明实施例中选用长啁啾光纤光栅有效增加采集应变的灵敏性，并且每根长啁啾光纤光栅的光栅为6个，从而保证在被测物应变过大时，各个检测点光谱解调不发生混叠。在另一些实施例中，每根长啁啾光纤光栅的光栅选用不多于20个，优选用5-7个。

本发明整个检测系由长啁啾光纤光栅阵列、光纤光栅解调仪、光开关和显示器组成，不需要额外的辅助检测设备，整个系统的组成简单，无放射线对人体发生伤害。

本发明检测方法测量范围大，可以对微小尺寸下进行动态的大应变测量，具有极强的耐腐蚀，抗电磁干扰能力，适应恶劣环境下的形状测量。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。