专利名称：光纤型弯曲参量的测定装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感技术领域的测量装置及方法，具体是测量弯曲曲率和弯曲方向的光纤型测定装置和方法。
背景技术：
随着仿生物机器、智能机器人、虚拟手等智能机器的发展，对于该类机器的肢体关 节运动的监测是必不可少的，其中弯曲曲率和弯曲方向是非常关键的参数，目前的测量方 法有电学法、光学法以及传统的光纤法，前两者结构原理复杂，成本高，误差较大，且需要复 杂的电路、软件系统支持，实际应用推广比较困难，而传统的光纤法比较典型的是光纤光栅 法，如中国专利申请号200510024425. 7,200710043767. 2和200780039102. 2的专利均是 采用该方法，虽比前两者有很大的进步，但其缺点也不少，如成本仍比较高，需要使用昂贵 的光纤光栅解调设备，特别是需要进行多点测量时成本显著增加；同时光纤光栅是一种对 温度和应力均非常敏感的传感元件，在使用中需增加额外的步骤来消除温度的影响，进一 步增加了整个系统的成本；另外是光纤光栅比较脆弱，对封装有较高的要求，既要保证传感 元件的敏感性，又要保证使用寿命是比较困难的，封装一般要占到传感元件成本的30%至 90%，这又加大了系统的成本，从而限制了该类方法的使用范围。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种光纤型的弯曲参量的测定装置及 方法，该装置结构简单、设计合理、操作方法方便且使用方式灵活、温度敏感性低、灵敏度 高，不仅可以测定待测物的弯曲曲率，并可以做到能够同时测量弯曲的方向，使该弯曲参量 测定装置具有广阔的使用范围；又由于本装置是基于光纤的损耗基础上测定，而损耗测试 是光纤测试中所有干涉法、频率法等其他类测试的基础，也是最成熟、最稳定、成本最低的 技术，使本发明的装置在成本上具有相当大的优势。并可利用时分技术、光时域反射技术 (OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)可实现准分布式或分布式测量，为本发明的装 置的应用进一步提供了非常广阔的应用前景。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种光纤型弯曲参量的测定装 置，其特征在于一个曲线形壳体以及沿曲线形壳体纵向连续布设在所述曲线形壳体内部 相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，曲线形壳体的两端固定于待测物体上，布设 在曲线形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体弯曲曲率的变 化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有导光光纤， 所述曲线形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿之间以及多个B侧变形齿之间的齿距是均 勻的，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在导光光纤两侧，导光光纤的延伸光纤与测试单元 连接，测试单元后面接处理单元。当待测物体的弯曲曲率变化时，曲线形壳体上就有部分区域处于压缩状态，部分 区域处于拉伸状态，压缩状态区域或拉伸状态区域分别使沿曲线形壳体分布的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿之间的距离减小获增大，从而就可以改变在A侧变形齿和B侧变形 齿间夹有的导光光纤的弯曲半径，也即改变导光光纤的弯曲损耗系数，从而在测试单元上 探测出输入光信号的变化并将该变化信号送入处理单元。本发明装置解决进一步技术问题的方案是所述曲线形壳体内部相对两侧的多个 A侧变形齿以及多个B侧变形齿的齿高是相同的。
本发明装置解决进一步技术问题的方案是所述的曲线形壳体是螺旋状、Z字状 或平面卷簧状。本发明装置解决进一步技术问题的方案是所述的曲线形壳体的A侧与B侧是 通过弹性材料连接，如高分子材料、弹簧等材料构成，这些材料在有外力作用时有更大的变 形，所以当曲线形壳体两端位置变化时，A侧与B侧上的变形齿之间的相对位置会有更大的变化。本发明装置解决进一步技术问题的方案是所述的平面卷簧状曲线形壳体的A、B 侧是上下两层，平面卷簧状曲线形壳体的内端相对于外端位置改变，如凸出或凹下时，沿所 述的平面卷簧状曲线形壳体的内部连续布设的A侧变形齿(即上侧变形齿)和B侧变形齿 (即下侧变形齿)间的距离变化，使夹持在A侧变形齿和B侧变形齿间的导光光纤的弯曲半 径变化，也即改变导光光纤的弯曲损耗系数，从而在测试单元上探测出输入光信号的变化， 测试单元后面接处理单元。经过事先的标定，不同的衰减损耗对应不同的弯曲曲率，从而就 可以得到待测物体的弯曲曲率。当待测物体是一个球体表面时，可以得到该球体的弯曲曲 率。本发明装置解决进一步技术问题的方案是在曲线形壳体内与第一个导光光纤并 排有第二个导光光纤，以及连续布设在所述曲线形壳体内部相对两侧的第二组多个A侧变 形齿和第二组多个B侧变形齿，第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿间夹有第 二导光光纤，所述的第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿沿着曲线形壳体每360 度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线形壳体的同一个方向，并作为0角度，每个周期 内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化趋 势是一致的，即单调变化要么都是单调增加或单调减少的，第二个导光光纤的延伸纤接测 试单元。本发明装置解决进一步技术问题的方案是在曲线形壳体内沿曲线形壳体纵向将 该曲线形壳体分为两个部分，每个部分均有A、B两侧，并分别在每个部分的A侧变形齿和B 侧变形齿间分别夹有第一个导光光纤和第二个导光光纤，夹持第二导光光纤的多个A侧变 形齿和多个B侧变形齿沿着曲线形壳体每360度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线 形壳体的同一个方向，并作为0角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且 不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化趋势是一致的，即单调变化要么都是单调增加 或单调减少的，第二个导光光纤的延伸纤接测试仪器。这样在第一导光光纤探测出待测物 体的弯曲曲率时，根据事先的标定，第二导光光纤不同的衰减损耗对应不同的弯曲方向，可 通过第二导光光纤的损耗值得出待测物体的弯曲方向。本发明装置解决进一步技术问题的方案是在曲线形壳体内有第二导光光纤，以 及连续布设在所述曲线形壳体内部相对两侧的第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变 形齿，第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿间夹有第二导光光纤，所述的第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿沿着曲线形壳体每360度为一个周期，每个周期之间没有交叉，并将每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于曲线形壳体同一个方 向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的，第二个导光光纤的延伸纤 接测试单元。在我们只需要确定待测物体大致的弯曲方向时，可根据需要如只确定4个、 6个或8个方向，将每个周期划分为4、6或8个区域，每个区域内的变形齿的间距或齿高相 同，但每个周期内任意两个区域的变形齿的齿距或齿高不同，处理单元根据第一导光光纤 确定的曲率和第二导光光纤的损耗变化值，以及事先的标定数据确定出待测物体的弯曲方 向。本发明装置解决进一步技术问题的方案是在待测物体有一个以上的待测弯曲曲 率时，在相应的部位均安置有两端固定于待测物体上的含导光光纤的曲线形壳体，且所述 曲线形壳体中的导光光纤串联在一起。本发明装置解决进一步技术问题的方案是当待测物体有一个以上的待测弯曲曲 率且弯曲是分时变化时，通过测试单元分别得到每个部分导光光纤的损耗，从而可以分别 测试出每个弯曲的曲率，若在每个弯曲部分有第二导光光纤及按周期变化的变形齿时，可 以确定每个部分弯曲的方向，该测试单元用光源和光功率计就可以构成。本发明装置解决进一步技术问题的方案是当待测物体有一个以上的待测弯曲曲 率部位并且不能确定弯曲是分时变化时，通过光时域反射技术(OTDR)或相干频率调制连 续波技术(FMCW)测试单元分别得到多个时刻、每个部分导光光纤的损耗，从而可以分别测 试出每个部位弯曲的曲率及曲率的变化，若在每个弯曲部分有第二导光光纤及按周期变化 的变形齿时，可以确定每个部位弯曲的方向及方向的变化。本发明装置解决进一步技术问题的方案是当待测物体是由多个可弯曲的部分构 成时，处理单元通过确定其最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲方向，可给出该待测 物体的最终状态。本发明装置解决进一步技术问题的方案是可以通过光分路器将多个定于待测物 体上的曲线形壳体中的导光光纤分别连接。本发明方法解决进一步技术问题的方案方法是，其检测步骤如下①包含在曲线形壳体中的导光光纤的光信号损耗变化值与曲线形壳体弯曲曲率 的比例因子的标定标定的方法将含有导光光纤的曲线形壳体的长度在初始状态或直线状态下锁 定，利用已知弯曲曲率的圆弧，将含有导光光纤的曲线形壳体依照圆弧弯曲，并记录在相应 弯曲曲率下导光光纤的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯 曲曲率C与导光光纤损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为C1 = K* Δ α j+ ε(1)式中=C1表示标定时不同的弯曲曲率值，Δ Ci1是表示不同弯曲曲率下光信号的损 耗变化值，K是得到的比例因子，ε为得到的误差值；②导光光纤传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体上的含导光 光纤的曲线形壳体随着待测物体的弯曲而弯曲，导光光纤的损耗值也随之变化，通过测试 单元获得导光光纤的损耗变化值，并将该值传递给处理单元，其中，两端固定于待测物体上 的曲线形壳体在初始状态或直线状态时其长度与标定时的长度一致；
③处理单元利用导光光纤损耗变化值及公式(1)给出待测物体的弯曲曲率。本发明方法解决进一步技术问题的方案方法是标定时将含有导光光纤的曲线形 壳体的长度在初始状态或直线状态下锁定，是将曲线形壳体的两端固定于可弯曲但长度变 化忽略不计的杆状体上，杆状体可以是金属棒、金属管或高分子材料棒。本发明方法解决进一步技术问题的方案方法是，其检测步骤如下 根据前述的检测方法的①至③步骤，可得到待测物体的弯曲曲率，下述检测步骤 是获取待测物体的弯曲方向④包含在曲线形壳体中的第二导光光纤的光信号损耗变化值与曲线形壳体弯曲 曲率和弯曲方向的比例因子的标定标定的方法利用已知弯曲曲率的圆弧，将含有第二导光光纤的曲线形壳体变换 不同的角度依照圆弧弯曲，并记录相应弯曲曲率和相应角度下第二导光光纤的损耗变化 值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲方向的角度θ与第二导光光 纤损耗变化值及弯曲曲率变化值的比例因子K0 (C)，其关系可表示为θ = K 0 (C) * Δ α 0 + ε 0(2)式中θ表示标定时不同的弯曲方向角度，C表示标定时弯曲曲率，Δ α θ是表示 不同弯曲方向角度和不同弯曲曲率下光信号的损耗变化值，K0(C)是得到的不同弯曲曲率 下比例因子，ε e为得到的误差值；⑤第二导光光纤传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体上的含 第二导光光纤的曲线形壳体随着待测物体的弯曲的而弯曲，第二导光光纤的损耗值也随着 待测物体的弯曲曲率和弯曲方向角度的变化而变化，通过测试单元获得第二导光光纤的损 耗变化值，并将该值传递给处理单元；⑥处理单元利用第二导光光纤损耗变化值、第一导光光纤确定的弯曲曲率及公式 (2)给出待测物体的弯曲方向角度。通过选择较低膨胀系数的材料来制作曲线形壳体及变形齿，可大幅度降低温度对 本发明装置的测试精度的影响，在需要进一步提高测试精度时，可通过事先的标定来完成， 即在不同的均勻温度场下通过插值和线性拟合的方法确定K和K 0 (C)，在实际使用中，通过 温度传感器对环境温度的测试并传输给处理单元来对测试结果进行修正。综上所述，本发明相对于现有技术的优点是结构简单、设计合理、加工制作方便且 使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，相对于现有技术，本发明提供一种光纤型弯曲参量 的测定装置及方法，不仅可以测定待测物的弯曲曲率，并可以做到能够同时测量弯曲的方 向，使该弯曲参量测定装置具有广阔的使用范围；又由于本装置是基于光纤的损耗基础上 测定，而损耗测试是光纤测试中所有干涉法、频率法等其他类测试的基础，也是最成熟、最 稳定、成本最低的技术，使本发明的装置在成本上具有相当大的优势。并可利用时分技术、 光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)可实现准分布式或分布式测 量，为本发明的装置的应用进一步提供了非常广阔的应用前景。下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明第一具体实施方式
的结构示意图。
图2为图1中曲线形壳体的截面示意图。
图3为本发明第二具体实施方式
的结构示意图。图4为图3中曲线形壳体的截面示意图。
图5为本发明第三具体实施方式
的俯视结构示意图。图6为本发明第三具体实施方式
的侧视结构示意图。图7为本发明第四具体实施方式
的曲线形壳体的截面示意图。图8为本发明第五具体实施方式
的曲线形壳体的截面示意图。图9为双纤曲线形壳体的截面示意图。图10为双层曲线形壳体的截面示意图。图11为本发明第六具体实施方式
的结构示意图。图12为本发明第七具体实施方式
的结构示意图。图13为本发明第八具体实施方式
的结构示意图。附图标记说明
具体实施例方式实施例1如图1、图2所示，本发明包括一个曲线形壳体4以及沿曲线形壳体纵向连续布设 在所述曲线形壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，曲线形壳 体4的两端固定于待测物体10的弯曲部位上，布设在曲线形壳体4内部的A侧变形齿4-1 和B侧变形齿4-2之间的相对位置随着待测物体10弯曲曲率的变化而改变，所述A侧变形 齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有导光光纤6，所述曲线形壳 体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1以及多个B侧变形齿4-2之间的齿距是均勻的， A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在导光光纤6两侧，导光光纤6通过传输光纤1 与测试单元5连接，测试单元5后面接有处理单元7，温度传感器40连接至处理单元7。本实施例中，所述曲线形壳体4整体呈螺旋状并且两端固定在待测物体10上，并 且待测物体10的待测区域被包围在曲线形壳体4中，当待测物体10的弯曲曲率变化时，曲线形壳体4两端的位置也改变，同时也就改变了沿曲线形壳体4分布的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2之间的距离，从而就可以改变在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2 间夹有的导光光纤6的弯曲半径，也即改变导光光纤6的弯曲损耗系数，优选的做法是在初 始状态或曲线形壳体4整体是直线的状态下，使导光光纤6的弯曲曲率很小，其弯曲损耗值 可以忽略，这样整体呈现螺旋状的曲线形壳体4在弯曲时，部分曲线形壳体4的放松区域的 导光光纤6的损耗不会变化而不用考虑，而曲线形壳体4的压紧区域才会由于改变导光光 纤6的弯曲曲率而出现光信号的衰减，随着待测物体10的曲率的变化，导光光纤6中传输 的光信号的损耗也变化，从而在测试单元5上探测出光信号的变化并将信号传递到处理单 元7，处理单元7根据事先的标定，不同的衰减损耗对应不同的弯曲曲率，从而就可以得到 待测物体10的弯曲曲率。上述的检测及标定具体步骤如下①包含在曲线形壳体4中的导光光纤6的光信号损耗变化值与曲线形壳体弯曲曲 率及温度参数的比例因子的标定标定的方法将含有导光光纤6的曲线形壳体4的长度在初始状态或直线状态下 锁定，锁定方法是将曲线形壳体6的两端固定于可弯曲但长度变化忽略不计的杆状体上， 杆状体可以是金属棒、金属管或高分子材料棒。利用已知弯曲曲率的圆弧和已知均勻温度 场下，将含有导光光纤6的曲线形壳体4依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲曲率和温度下导 光光纤6的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲曲率C与 导光光纤损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为C1 = K* Δ α j+ ε(3)式中=C1表示标定时不同的弯曲曲率值，Δ Ci1是表示不同弯曲曲率和温度下光信 号的损耗变化值，K是得到的比例因子，ε为得到的误差值；②导光光纤6传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体10上的含 导光光纤6的曲线形壳体4随着待测物体10的弯曲而弯曲，导光光纤6的损耗值也随之变 化，通过测试单元5获得导光光纤6的损耗变化值，并将该值传递给处理单元7，温度传感器 40将温度参数传递至处理单元7 ；③处理单元7利用导光光纤6损耗变化值、温度参数及公式(3)给出待测物体10 的弯曲曲率。所述导光光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚 酰亚胺涂覆光纤等；所述导光光纤6也可以是塑料光纤或光子晶体光纤。实施例2如图3、图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述曲线形壳体4整体呈Z 字状，该曲线形壳体4的两端固定于待测物体10上并位于待测物体10的外部，所述曲线形 壳体4的截面形状为圆环状，实际加工制作时也可以将所述曲线形壳体4的截面加工制作 为椭圆环状等其它多种形状。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施 例1相同。实施例3如图5、图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述曲线形壳体4整体呈平 面卷簧状，曲线形壳体4的外端21和内端22分别固定于待测物体10的球面上，当待测物体10的球面弯曲曲率变化时，曲线形壳体4两端的位置也改变，同时也就改变了沿曲线形 壳体4分布的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2之间的距离，从而就可以改变在A 侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2间夹有的导光光纤6的弯曲半径，也即改变导光光纤6的 弯曲损耗系数，从而在测试单元5上探测出光信号的变化并传递到处理单元7，处理单元7 根据事先的标定，不同的衰减损耗对应不同的球面弯曲曲率，从而就可以得到待测物体10 的球面弯曲曲率。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例4 如图7所示，本实施例中，与实施例1不同的是所述的曲线形壳体4的A侧与B 侧是通过弹性材料体8连接，弹性材料体8可以是高分子材料体、弹簧，该弹性材料体8在 有外力作用时有更大的变形，所以当曲线形壳体4两端位置变化时，A侧的变形齿4-1与B 侧上的变形齿4-2之间的相对位置会有更大的变化，从而提高测试的准确性。本实施例中， 其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例5如图8所示，本实施例中，与实施例4不同的是所述的曲线形壳体4的A侧与B 侧是通过两块弹性材料体8连接，提高曲线形壳体4的稳定性及适应较大的形变而不至于 使曲线形壳体4损坏，本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例4相 同。实施例6如图9所示，本实施例中，与实施例1不同的是在曲线形壳体4内与第一个导光 光纤6-1并排有第二个导光光纤6-2，以及连续布设在所述曲线形壳体4内部相对两侧的第 二组多个A侧变形齿4-3和第二组多个B侧变形齿4-4，第二组多个A侧变形齿4_3和第 二组多个B侧变形齿4-4间夹有第二导光光纤6-2，所述的第二组多个A侧变形齿4-3和 第二组多个B侧变形齿4-4沿着曲线形壳体4每360度为一个周期，每个周期的起始点位 于曲线形壳体4的同一个方向，并作为0角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变 化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化趋势是一致的，即单调变化要么都是 单调增加或单调减少的，第二个导光光纤6的延伸纤接测试单元5，测试单元5后接处理单 元7。这样在第一导光光纤6-1探测出待测物体10的弯曲曲率时，处理单元7根据事先的 标定，即第二导光光纤6-2不同的衰减损耗对应不同的弯曲方向，则通过第二导光光纤6-2 的损耗值得出待测物体10的弯曲方向。本实施例中检测及标定步骤与实施例1不同的是实施例1检测、标定方法的①至③步骤，可得到待测物体的弯曲曲率，下述检测、 标定步骤是获取待测物体的弯曲方向④包含在曲线形壳体4中的第二导光光纤6-2的光信号损耗变化值与曲线形壳体 4弯曲曲率和弯曲方向及温度参数的比例因子的标定标定的方法利用已知弯曲曲率的圆弧和温度场下，将含有第二导光光纤的曲线 形壳体4变换不同的角度依照圆弧弯曲，并记录相应弯曲曲率、温度参数和相应角度下第 二导光光纤6-2的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲 方向的角度θ与第二导光光纤6-2损耗变化值及弯曲曲率、温度参数变化值的比例因子 K0 (C，Τ)，其关系可表示为
θ = K0 (C, Τ) * Δ α θ + ε θ(4) 式中θ表示标定时不同的弯曲方向角度，C表示标定时弯曲曲率，T是标定是 的温度，△ α e是表示不同弯曲方向角度和不同弯曲曲率及温度下光信号的损耗变化值， K0 (C, T)是得到的不同弯曲曲率、温度下比例因子，ε θ为得到的误差值；⑤第二导光光纤6-2传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体10 上的含第二导光光纤6-2的曲线形壳体4随着待测物体10的弯曲的而弯曲，第二导光光纤 6-2的损耗值也随着待测物体10的弯曲曲率和弯曲方向角度的变化而变化，通过测试单元 获得第二导光光纤6-2的损耗变化值，并将该值传递给处理单元，温度传感器将温度参数 传递至处理单元7 ；⑥处理单元7利用第二导光光纤6-2损耗变化值、第一导光光纤6-1确定的弯曲 曲率、温度参数及公式(4)给出待测物体10的弯曲方向角度。使本发明的测试装置不仅可以确定待测物体10的弯曲曲率，同时确定待测物体 10的弯曲方向。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例7如图10所示，本实施例中，与实施例6不同的是在曲线形壳体4内沿曲线形壳体 4纵向将该曲线形壳体4分为两个部分，每个部分均有Α、Β两侧，并分别在每个部分的A侧 变形齿和B侧变形齿间分别夹有第一个导光光纤6-1和第二个导光光纤6-2，夹持第二导光 光纤的多个A侧变形齿4-3和多个B侧变形齿4-4沿着曲线形壳体每360度为一个周期， 每个周期的起始点位于曲线形壳体的同一个方向，并作为0角度，每个周期内的变形齿的 间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化趋势是一致的， 即单调变化要么都是单调增加或单调减少的，第二个导光光纤6-2的延伸纤接测试单元5， 测试单元5后接处理单元7。这样在第一导光光纤6-1探测出待测物体10的弯曲曲率时， 处理单元7根据事先的标定，即第二导光光纤6-2不同的衰减损耗对应不同的弯曲方向，则 通过第二导光光纤6-2的损耗值得出待测物体10的弯曲方向。使本发明的测试装置不仅 可以确定待测物体10的弯曲曲率，同时确定待测物体10的弯曲方向。本实施例中，其余部 分的结构、连接关系和工作原理均与实施例6相同。实施例8如图11所示，本实施例中，与实施例1不同的是在待测物体10有一个以上的待 测弯曲曲率时，在相应的部位均安置有两端固定于待测物体10上的含导光光纤6的曲线形 壳体4，且所述曲线形壳体4中的导光光纤6串联在一起，当待测物体10的待测弯曲曲率 变化是分时变化时，通过测试仪器分别得到每个部分导光光纤6的损耗，从而可以分别测 试出每个弯曲的曲率，该测试单元5用光源和光功率计就可以构成。若在每个弯曲部分有 第二导光光纤6-2及按周期变化的变形齿时，可以确定每个部分弯曲的方向，处理单元7通 过确定每个曲线形壳体4最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲方向，可给出该待测物 体10的最终状态，并通过显示单元20输出。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工 作原理均与实施例1相同。实施例9如图12所示，本实施例中，与实施例8不同的是测试单元5采用光时域反射技 术(OTDR)或相干频率调制连续波技术(FMCW)测试仪器分别得到多个时刻、每个部分导光光纤6的损耗，从而可以分别测试出每个部位弯曲的曲率及曲率的变化，若在每个弯曲部 分有第二导光光纤6-2及按周期变化的变形齿时，可以确定每个部位弯曲的方向及方向的 变化。处理单元7通过确定每个曲线形壳体4最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲方 向，可给出该待测物体10的最终状态，并通过显示单元20输出。本实施例中，其余部分的 结构、连接关系和工作原理均与实施例8相同。实施例10如图13所示，本实施例中，与实施 例8不同的是每个曲线形壳体4通过光开关30 与测试单元5连接，测试单元5通过光开关30的选通功能，分别得到多个时刻、每个部分导 光光纤6的损耗，从而可以分别测试出每个部位弯曲的曲率及曲率的变化，若在每个弯曲 部分有第二导光光纤6-2及按周期变化的变形齿时，可以确定每个部位弯曲的方向及方向 的变化。处理单元7通过确定每个曲线形壳体4最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲 方向，可给出该待测物体10的最终状态，并通过显示单元20输出。本实施例中，其余部分 的结构、连接关系和工作原理均与实施例8相同。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
权利要求
光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于一个曲线形壳体以及沿曲线形壳体纵向连续布设在所述曲线形壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，曲线形壳体的两端固定于待测物体上，布设在曲线形壳体内部的A侧变形齿和B侧变形齿之间的相对位置随着待测物体弯曲曲率的变化而改变，所述A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，且在二者的变形齿间夹有导光光纤，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在导光光纤两侧，导光光纤的延伸光纤与测试单元连接。
2.按照权利要求1所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于所述曲线形壳体内 部相对两侧的多个A侧变形齿之间以及多个B侧变形齿之间的齿距是均勻的。
3.按照权利要求1所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于所述曲线形壳体内 部相对两侧的多个A侧变形齿以及多个B侧变形齿的齿高是相同的。
4.按照权利要求1所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于所述的曲线形壳体 是螺旋状、Z字状或平面卷簧状。
5.按照权利要求1所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于所述的曲线形壳体 的A侧与B侧之间是通过弹性材料连接。
6.按照权利要求4所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于所述的平面卷簧状 曲线形壳体的A、B侧是上下两层。
7.按照权利要求1至6任意一项所述的光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于在 曲线形壳体内与第一个导光光纤并排有第二个导光光纤，以及连续布设在所述曲线形壳体 内部相对两侧的第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿，第二组多个A侧变形齿 和第二组多个B侧变形齿间夹有第二导光光纤，所述的第二组多个A侧变形齿和第二组多 个B侧变形齿沿着曲线形壳体每360度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线形壳体的 同一个方向，并作为0度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的 变形齿的间距或齿高是单调变化趋势是一致的。
8.按照权利要求1至6任意一项所述的光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于在 曲线形壳体内沿曲线形壳体纵向将该曲线形壳体分为两个部分，每个部分均分别有A、B两 侧，并分别夹有第一个导光光纤和第二个导光光纤，夹持第二导光光纤的多个A侧变形齿 和多个B侧变形齿沿着曲线形壳体每360度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线形壳 体的同一个方向，并作为0度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周 期的变形齿的间距或齿高是单调变化趋势是一致的。
9.按照权利要求1至6任意一项所述的光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于在 曲线形壳体内有第二导光光纤，以及连续布设在所述曲线形壳体内部相对两侧的第二组多 个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿，第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿 间夹有第二导光光纤，所述的第二组多个A侧变形齿和第二组多个B侧变形齿沿着曲线形 壳体每360度为一个周期，每个周期之间没有交叉，并将每个周期划分为相同数量的有限 个区域，对应于曲线形壳体同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高 是相同的。
10.按照权利要求1所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于在待测物体有一个 以上的待测弯曲曲率时，并在相应的部位安置有两端固定于待测物体上的含导光光纤的曲 线形壳体，且所述曲线形壳体中的导光光纤串联在一起。
11.按照权利要求1所述光纤型弯曲参量的测定装置，其特征在于在待测物体有一个 以上的待测弯曲曲率时，并在相应的部位安置有两端固定于待测物体上的含导光光纤的曲 线形壳体，且所述曲线形壳体中的导光光纤通过光分路器连接至测试单元。
12.—种光纤型弯曲参量的测定方法，其特征在于检测步骤如下①包含在曲线形壳体中的导光光纤的光信号损耗变化值与曲线形壳体弯曲曲率的比 例因子的标定标定的方法将含有导光光纤的曲线形壳体的长度在初始状态或直线状态下锁定，利 用已知弯曲曲率的圆弧，将含有导光光纤的曲线形壳体依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲 曲率下导光光纤的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲曲 率C与导光光纤损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为Cj = K* A a e(a)式中A表示标定时不同的弯曲曲率值，△ ^是表示不同弯曲曲率下光信号的损耗变 化值，K是得到的比例因子，￡为得到的误差值；②导光光纤传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体上的含导光光纤 的曲线形壳体随着待测物体的弯曲而弯曲，导光光纤的损耗值也随之变化，通过测试单元 获得导光光纤的损耗变化值，并将该值传递给处理单元，其中，两端固定于待测物体上的曲 线形壳体在初始状态或直线状态时其长度与标定时的长度一致；③处理单元利用导光光纤损耗变化值及公式(a)给出待测物体的弯曲曲率。
13.按照权利要求12所述光纤型弯曲参量的测定方法，其特征在于标定时将含有导 光光纤的曲线形壳体的长度在初始状态或直线状态下锁定，是将曲线形壳体的两端固定于 可弯曲但长度变化忽略不计的杆状体上，杆状体可以是金属棒、金属管或高分子材料棒。
14.按照权利要求12或13所述光纤型弯曲参量的测定方法，其特征在于检测步骤如下根据前述的检测方法的①至③步骤，可得到待测物体的弯曲曲率，下述检测步骤是获 取待测物体的弯曲方向④包含在曲线形壳体中的第二导光光纤的光信号损耗变化值与曲线形壳体弯曲曲率 和弯曲方向的比例因子的标定标定的方法利用已知弯曲曲率的圆弧，将含有第二导光光纤的曲线形壳体变换不同 的角度依照圆弧弯曲，并记录相应弯曲曲率和相应角度下第二导光光纤的损耗变化值，利 用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲方向的角度9与第二导光光纤损耗 变化值及弯曲曲率变化值的比例因子1(0 (C)，其关系可表示为e =K0(C)*A a 0+e e(b)式中e表示标定时不同的弯曲方向角度，C表示标定时弯曲曲率，△ a 0是表示不同 弯曲方向角度和不同弯曲曲率下光信号的损耗变化值，Ke (C)是得到的不同弯曲曲率下比 例因子，￡ e为得到的误差值；⑤第二导光光纤传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体上的含第二 导光光纤的曲线形壳体随着待测物体的弯曲的而弯曲，第二导光光纤的损耗值也随着待测 物体的弯曲曲率和弯曲方向角度的变化而变化，通过测试单元获得第二导光光纤的损耗变 化值，并将该值传递给处理单元；⑥处理单元利用第二导光光纤损耗变化值、第一导光光纤确定的弯曲曲率及公式(b) 给出待测物体的弯曲方向角度。
全文摘要
本发明公开了一种光纤型弯曲参量的测定装置及方法，是基于光纤微弯损耗变化的一种新型结构及方法，不仅可以大范围精确测定待测物体的弯曲曲率及变化，并可以做到能够同时测量弯曲的方向角度及其变化，使本发明的弯曲参量测定装置及方法具有广阔的使用范围；又由于本装置及方法是基于光纤的损耗基础上测定，而损耗测试是光纤测试中最成熟、最稳定、成本最低的技术，使本发明的装置及方法在应用成本上具有相当大的优势，并可利用时分技术、光时域反射技术(OTDR)及相干频率调制连续波技术(FMCW)可实现准分布式或分布式测量，为本发明的装置及方法的应用进一步提供了非常广阔的应用前景。
文档编号G01M11/02GK101865665SQ20101021953
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年4月6日
发明者杜兵, 杜蔚, 杜迎涛 申请人:西安金和光学科技有限公司