本发明涉及一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，属于仿生测量方法技术领域。
背景技术：
触须是海豹、海狮等海洋哺乳动物感应水中涡流的重要器官，能够帮助它们准确的确认鱼类在水中的游动产生的尾流，从而有效追踪和判断猎物的状态。猫科动物、鼠类、昆虫等陆生动物具有十分敏感的触须、触角或毛发结构，能够感知空气的流向和强度，或在黑暗中感知周围空间环境。进化而来的这一器官给这类动物带来了强大的生命力，在几亿年的优胜劣汰演化史中扮演着重要的角色。
如今科技迅猛发展，机器人行业正经历着前所未有的大发展大繁荣时代，各种奇思妙想通过科研所人员的努力，正在不断赋予机器人更多新的内容，使其更加智能强大。学习动物朋友的完美功能，是人类获得更大能力重要途径。诸如雷达、超声探测、鲨鱼皮、蚁穴通风系统等等，给人类带来巨大的技术进步。机器人作为将人类从重复繁重体力劳动中解放出来的新工具，早已成为世界各国争相抢夺的科技高地。
作为机器人，应当具备全方位准确的采集数据功能，高效、完善的处理数据功能，以及快速有效的输出功能。外部信号的采集作为这一环节的开始，是其中最为难以控制的部分，采集系统受环境、仪器、采集手段的制约，常常与真实量有较大偏差，如何有效的完成信号采集，是整个系统完美运作的前提。所以很有必要借鉴动物在这方面的优势，更多的研究高效的采集方式和手段。
将动物的触须结构与机器人结合无疑将带来机器人技术的大提升。作为环境参数的一种探测方法，触须不仅可以感知空间尺度，亦可感知空间流体的作用。其一大特点就是既能够有取向性的探测数据，也能够实现某一区域的场探测。能够实现单点测量和多点阵列测量。
目前的仿触须传感器大多是基于应变电测法和激光测位移法实现。由于这些测量元件和弹性元件无法有效的实现小型化，分辨率难提高，结构臃肿，所以难以实现多点阵列测量。更为关键的是，机器人往往需要在极端环境下工作，如核反应堆、外太空、高温管道等，强电磁场以及大的温度波动对电测法都将带来巨大的干扰。传统电测法这些不能克服的缺陷将限制以电为信号载体的测量方法。
光纤光栅从1978年问世以来，取得了巨大的飞跃，随着光栅写入技术的不断改进和优化，其价格大大降低，周期大大缩短、性能大大提高。与传统传感器相比，光纤光栅的测量是无源信号测量，传感器本身既是信号传输元件，也是信号感知元件，十分小巧，最大传输距离能够达到几十公里，信号损失小，电磁免疫强。可以实现准分布式写入，即在单根光纤上写入多个反射波长不同的光栅段，利于实现阵列测量。
在普通商用光纤的某一区域(长度约2-10mm)上周期性地改变纤芯的折射率，通过光纤内的布拉格衍射效应使特定波长的光受到强烈的反射。特定的光栅周期和有效折射率只对带宽很窄的一部分光波具有强烈的反射作用，而对其他波段的光波反射作用很微弱。通入宽带光波后，特定波长的光受到反射返回入射端，通过分光器导入探测器中，识别出这部分反射光的波长和相应的强度，通过识别出反射能量最大的光波对应的波长，可得到相应的测量物理量。从光纤的结构上看，纯玻璃纤维往往脆弱容易折断，所以商用光纤一般都是涂敷一层韧性较好的有机聚合物调节柔韧性，这使得常用的光纤具有较好的韧性，拉伸弯曲性能好，不易折断，所以通过施加一定的预应力光纤可以作为拉伸弹性元件。未经过预应力处理的光栅只能测量拉力，而施加预应力的光栅既可以测量拉力，也能在一定范围内测量收缩力。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，给出了一个三维位移和力测量方法。
具体的，基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，所述测量方法为：
首先在触须杆靠近基部的位置设置一组十字垂直交叉的4个光纤光栅，然后通过与光纤光栅连接的预应力施加机构，给光纤光栅施加一定的预应力，然后通过连接件将触须杆与光纤光栅固连，通过与触须杆底部连接的弹簧机构，施加垂直于4个光纤光栅的固定点构成的平面方向的预应力，当触须杆末端受到外界的激励后，通过分析4个光栅的读数，求出外界的激励的方向和大小。
进一步的，所述测量方法具体为：
首先在触须杆靠近基部的位置设置一组十字垂直交叉的4个光纤光栅，组成一空间直角坐标的形状，然后通过与光纤光栅连接的预应力施加机构，给光纤光栅施加一定的预应力，让光纤光栅处于拉伸状态，同时保证4个光纤光栅的预拉力大小相等，并让4个光纤光栅的固定点构成一个平面，交点o暂时处于4个光纤光栅的固定点构成的平面上，然后通过连接件将触须杆与4个的光纤光栅用强力胶固连，并确保触须杆下端接触弹簧机构的上部，形成铰支点，最后通过调节底部弹簧机构的螺丝，将铰支点顶起，使其离开4个光纤光栅的固定点构成的平面，相当于同时给4个光纤光栅再次施加拉伸预应力，等效于给触须杆施加了垂直于4个光纤光栅的固定点构成的平面方向的预应力，触须杆在三个方向上都施加了预应力，
当触须杆末端受到外界的激励后，将会使得光栅产生一定的伸缩，从而感受到外界的刺激强度，标定后通过分析4个标定后的光纤光栅的读数，求出外界的激励的方向和大小。
进一步的，所述方法中求出外界的激励的方向的具体方法为：
当4个光纤光栅波长飘移量相同时，可以判断出杆受到来自垂直于4个光纤光栅的固定点构成的平面方向的扰动；
当相对的一对光纤光栅漂移量相等，而另外一对光纤光栅漂移量等大相反时，可以判断出扰动方向；
当相邻的一对光纤光栅漂移量相等，而另外一组光纤光栅漂移量相等，可以判断出扰动方向。
进一步的，所述方法中使用的弹簧机构包括弹簧固定基座、固定螺母、调节螺丝、受压弹簧、连接滑块，固定螺母固定在弹簧固定基座内，调节螺丝与固定螺母螺栓连接，调节螺丝的端部连接受压弹簧的一端，受压弹簧的另一端通过连接滑块连接触须杆。
进一步的，所述方法中使用的光纤光栅预应力施加机构包括预应力固定基座、紧固螺母、通孔螺杆、预应力调节螺母、光纤固定件，紧固螺母、通孔螺杆、预应力调节螺母、光纤固定件在预应力固定基座两端各设置一组，通孔螺杆的端头安装在预应力固定基座内，紧固螺母用于在预应力固定基座外部固定通孔螺杆，预应力调节螺母与通孔螺杆螺纹连接，光纤固定件与预应力调节螺母上远离预应力固定基座的一端相接，光纤光栅的光纤粘接在光纤固定件内部且从通孔螺杆和预应力固定基座中间穿过。
本发明的有益效果在于：本发明设计一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，具有以下优点：
光纤三维预应力施加方法。本发明所给的三维预应力加载方案，在于强调调节螺母的同时观察波长的漂移量，首先调节单根光纤，然后整体同时施加，达到每个光栅预应力相同的效果。从一维到二维再到三维，方法简单，精确性好，实用方便。
利用光纤作为弹性元件和传感元件。本发明利用预应力光纤本身固有的弹性来作为弹性构件，省去了额外的弹性附加结构。通过优化调节光纤保护层的组分和厚度，可以获得更为理想的弹性效果。
准分布式，阵列测量。由于光纤光栅具有准分布测量的的特性，很容易实现多点阵列测量。
不同类型的触须毛杆，可测量微变形，或者流场。采用刚度很大的杆，并将头部固定在某一被测点，可以测量该点的微小移动。头部设置对流场较为敏感羽毛状结构，可以测量小区域内流场的大小和方向。
附图说明
图1为阵列式测量原理图；
图2为实现本发明基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法的装置的结构示意图；
图3是弹簧机构的结构示意图；
图4是光纤光栅预应力施加机构的结构示意图。
附图标记如下：1、触须杆，2、连接件，3、光纤光栅，4、弹簧机构，5、光纤光栅预应力施加机构；
21、弹簧固定基座，22、固定螺母，23、调节螺丝，24、受压弹簧，25、连接滑块；
31、预应力固定基座，32、紧固螺母，33、通孔螺杆，34、预应力调节螺母，35、光纤固定件，36,、光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
如图1至图4所示，本发明提供的基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法的实现装置，包括触须杆1、光纤光栅3、连接件2、弹簧机构4、光纤光栅预应力施加机构5，连接件2固定安装在触须杆1上，触须杆1底部连接弹簧机构4，光纤光栅3的数量为3个以上，每个光纤光栅3对应一个光纤光栅预应力施加机构5，光纤光栅3连接在连接件2和光纤光栅预应力施加机构5之间。
如图1所示，阵列式测量的原理为：将多个传感器串接起来形成特殊的阵列结构，可针对不同的测量对象测量二维或三维的物理量。可以作为仿生皮肤的毛发感触结构。或其他探测器的探触结构。阵列式的三维线传感测试模式，尤其适合在特殊环境下的测量。
在本实施例中，如图2所示，光纤光栅3的数量为4个，分别为fbg1、fbg2、fbg3、fbg4，每个光纤光栅3对应一个光纤光栅预应力施加机构5，光纤光栅3连接在连接件3和4个光纤光栅预应力施加机构5之间，4个光纤光栅3在水平方向上的投影分别位于十字交叉线的四个方向上。
采用不再同一平面内布置的四个光纤光栅3，通过标定可测量一点的三维位移(微力)。理论上通过不在同一平面的三光栅即可求解一个点三维空间的位移信息，由于结构上四光栅更为简单，而且多出的一个光栅可作为校准校准光栅，更具实用价值。所以多光栅(三根以上)应当视为同一概念。
如图3所示，弹簧机构4包括弹簧固定基座21、固定螺母22、调节螺丝23、受压弹簧24、连接滑块25，固定螺母22固定在弹簧固定基座21内，调节螺丝23与固定螺母22螺栓连接，调节螺丝23的端部连接受压弹簧24的一端，受压弹簧24的另一端通过连接滑块25连接触须杆1。
如图4所示，光纤光栅预应力施加机构5包括预应力固定基座31、紧固螺母32、通孔螺杆33、预应力调节螺母34、光纤固定件35，紧固螺母32、通孔螺杆33、预应力调节螺母34、光纤固定件35在预应力固定基座31两端各设置一组，通孔螺杆33的端头安装在预应力固定基座31内，紧固螺母32用于在预应力固定基座31外部固定通孔螺杆33，预应力调节螺母34与通孔螺杆33螺纹连接，光纤固定件35与预应力调节螺母34上远离预应力固定基座31的一端相接，光纤光栅3的光纤36粘接在光纤固定件35内部且从通孔螺杆33和预应力固定基座31中间穿过。
本发明的原理为：
我们将毛发结构进行力学结构简化，其实可以看成一个简单的悬臂梁模型，或者一根纤细的外伸梁，在靠近基部的位置连接有神经末梢，当外界扰动牵连到触须毛发时会产生拉压或者弯曲，变形和力传递至基部固连的神经末梢，响应的信号强弱能够被大脑识别，从而实现外部环境的感知。
为了能够利用光纤作为感测元件，我们将这一结构进一步简化和改进，给出了四光栅测量三维信号的原理。首先在触须杆1靠近基部的位置设置一组十字垂直交叉的光纤光栅3，组成一空间直角坐标的形状。然后通过分别调节预应力调节螺母34的进出位置，给光纤光栅3施加一定的预应力，让光纤36处于一定的拉伸状态，同时保证预拉力大小相等，并让四个固定点a、b、c、d构成一个平面，交点o暂时处于平面abcd上。然后通过连接件2将触须杆1、xy方向的光纤光栅3用强力胶固连，并确保触须杆1下端接触连接滑块25的上部，形成铰支点。最后通过调节底部弹簧机构4的调节螺丝23，将o点顶起，使其离开平面abcd，线段oa、ob、oc、od与平面abcd夹角由0变为θ，相当于同时给4个光纤光栅3再次施加拉伸预应力，等效于给触须杆1施加了z方向的预应力。至此，触须杆1在x、y、z三个方向上都施加了预应力。
当触须杆1末端受到外界的激励后，将会使得光纤光栅3产生一定的伸缩，从而感受到外界的刺激强度，标定后通过分析四个光纤光栅3的读数能够求出外界的激励的方向和大小。
1.当fbg1、fbg2、fbg3、fbg4波长飘移量相同时，可以判断出杆受到来自z方向的扰动。
2.当相对的某一组光栅(如fbg1、fbg3)漂移量相等，而另外一组光栅(fbg2、fbg4)等大相反时，可知扰动方向沿着特定(fbg2、fbg3)的方向。
3.当相邻的一组光栅(如fbg1、fbg2)漂移量相等，而另外一组光栅(fbg3、fbg4)相等，可知扰动方向沿着xy的方向。同理可得其他组合反映的位移变化。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。