专利名称：基于光纤弯曲损耗的柱体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，特别涉及一种基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置及方法。
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，而现有的光纤法中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，需要使用价格较高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，从而限制了该类装置及方法的使用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置及方法。本发明不仅可以确定待测物体的弯曲曲率，还能进一步确定待测物体的弯曲方向。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，其特征在于包括两端固定在待测物体上且在其端部所施加外应力的作用下能发生变形的柱体、由上至下布设在柱体外侧壁或内侧壁上的曲线形缝隙和分别布设在曲线形缝隙内部相对两侧的多组第一 A侧变形齿和多组第一 B侧变形齿，所述柱体包括上安装节段和下安装节段，所述上安装节段布设在下安装节段上方且二者间通过柱体侧壁节段进行连接，所述多组第一 A侧变形齿和多组第一 B侧变形齿分别安装在上安装节段和下安装节段，每一组第一 A侧变形齿均包括一个第一 A侧变形齿或并排布设的多个第一 A侧变形齿，每一组第一 B侧变形齿均包括一个第一 B侧变形齿或并排布设的多个第一 B侧变形齿，且至少有一列第一 A侧变形齿和第一 B侧变形齿的齿距是均勻的，多组第一 A侧变形齿和多组第一 B侧变形齿之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤穿过的曲线形通道，所述第一信号光纤连接有对第一信号光纤中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元，所述测试单元连接有对测试单元的测试结果进行分析处理的处理单元。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，包括设置在柱体内与第一个信号光纤并排的第二信号光纤、连续布设在所述柱体的多个第二组A侧变形齿和多个第二组B侧变形齿，所述第二信号光纤夹持在多个第二组A侧变形齿与多个第二组B侧变形齿之间，所述的多个第二组A侧变形齿和多个第二组B侧变形齿沿着柱体每360度为一个周期，每个周期的起始点位于柱体的同一个方向，并作为零角度，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，第二个信号光纤通过传输光纤连接测试单元。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，所述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，对应于柱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。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，所述柱体与测试单元之间连接有光开关。基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、包含在柱体中的第一信号光纤的光信号损耗变化值与柱体弯曲曲率的比例因子的标定标定的方法将含有第一信号光纤的柱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，将含有第一信号光纤的柱体依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲曲率下第一信号光纤的损耗变化值，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与第一信号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 公式一式中=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；步骤二、第一信号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一信号光纤的柱体随着待测物体的弯曲而弯曲，第一信号光纤的损耗值也随之变化，通过测试单元获得第一信号光纤的损耗变化值，并将该值传递给处理单元，其中，两端固定于待测物体上的柱体在初始状态或直线状态时其长度与标定时的长度一致；步骤三、处理单元利用第一信号光纤损耗变化值及公式一给出待测物体的弯曲曲率。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于，在步骤三完成后，再进行如下步骤步骤四、包含在柱体中的第二信号光纤的光信号损耗变化值与柱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，将含有第二信号光纤的柱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信号光纤的损耗变化值，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与第二信号光纤损耗变化值及弯曲曲率变化值的比例因子ΚΘ (C)，其关系可表示为θ = K0 (C) Δ α θ+ ε θ 公式二式中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 θ为得到的误差值；步骤五、第二信号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信号光纤的柱体随着待测物体的弯曲的而弯曲，第二信号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信号光纤的损耗变化值，并将该值传递给处理单元；步骤六、处理单元利用第二信号光纤损耗变化值、第一信号光纤确定的弯曲曲率及公式二给出待测物体的弯曲方向角度。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，当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信号光纤的柱体，且所述柱体中的第一信号光纤串联在一起。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，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。上述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，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或相干频率调制连续波技术测试单元分别得到多个时刻、每个部分第一信号光纤的损耗，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信号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。本发明与现有技术相比具有以下优点相对于现有技术，本发明结构简单、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，抗电磁干扰、成本低，本发明提供一种光纤型弯曲参量的测定装置即方法，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)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，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例1的结构示意图。图2为图1的A-A剖视图。图3为本发明实施例2的结构示意图。图4为本发明实施例3的结构示意图。图5为本发明实施例5的结构示意图。附图标记说明1-传输光纤；4-曲线形缝隙；5-测试单元；6-第一信号光纤； 7-处理单元；8-第二信号光纤；9-待测物体；10-柱体；20-显示单元；21-上安装节段；22-下安装节段；23-柱体侧壁节段；30-光开关；4-1-第一 A侧变形齿；4_2_第一 B侧变形齿；4-3-第二组A侧变形齿；4-4-第二组B侧变形齿。
具体实施例方式实施例1如图1、图2所示的一种基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，包括两端固定在待测物体9上且在其端部所施加外应力的作用下能发生变形的柱体10、由上至下布设在柱体10外侧壁或内侧壁上的曲线形缝隙4和分别布设在曲线形缝隙4内部相对两侧的多组第一 A侧变形齿4-1和多组第一 B侧变形齿4-2，所述柱体10包括上安装节段21和下安装节段22，所述上安装节段21布设在下安装节段22上方且二者间通过柱体侧壁节段 23进行连接，所述多组第一 A侧变形齿4-1和多组第一 B侧变形齿4-2分别安装在上安装节段21和下安装节段22，每一组第一 A侧变形齿4-1均包括一个第一 A侧变形齿4_1或并排布设的多个第一 A侧变形齿4-1，每一组第一 B侧变形齿4-2均包括一个第一 B侧变形齿 4-2或并排布设的多个第一 B侧变形齿4-2，且至少有一列第一 A侧变形齿4-1和第一 B侧变形齿4-2的齿距是均勻的，多组第一 A侧变形齿4-1和多组第一 B侧变形齿4-2之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤6穿过的曲线形通道，所述第一信号光纤6通过传输光纤1连接有对第一信号光纤6中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元5，所述测试单元5连接有对测试单元5的测试结果进行分析处理的处理单元 7。本实施例中，所述柱体10整体呈圆柱状并且两端固定在待测物体9上，并且待测物体9的弯曲待测区域被包围在柱体10中，当待测物体9的弯曲曲率变化时，柱体10两端的位置也改变，同时也就改变了沿柱体10上表面分布的曲线形缝隙4的宽度，使布设在曲线形缝隙4内部相对两侧的多组第一 A侧变形齿4-1和多组第一 B侧变形齿4-2之间的距离改变，从而就可以改变在第一 A侧变形齿4-1和第一 B侧变形齿4-2间夹有的第一信号光纤6的弯曲半径，也即改变第一信号光纤6的弯曲损耗系数，优选的做法是在初始状态或柱体10整体是直线的状态下，使信号光纤6的弯曲曲率很小，其弯曲损耗值可以忽略，并且第一 A侧变形齿4-1和第一 B侧变形齿4-2的相关参数均相同，包括变形齿之间的齿距、变形齿的齿高以及变形齿接触信号光纤6的变形齿顶端部分的弯曲曲率，这样整体柱体10在弯曲时，部分柱体10的放松区域的第一信号光纤6的损耗不会变化而不用考虑，而柱体10 的压紧区域才会由于改变第一信号光纤6的弯曲曲率而出现光信号的衰减，随着待测物体 9的曲率的变化，第一信号光纤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9的弯曲曲率。基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，包括以下步骤步骤一、包含在柱体10中的第一信号光纤6的光信号损耗变化值与柱体10弯曲曲率的比例因子的标定标定的方法将含有第一信号光纤6的柱体10的长度在初始状态或直线状态下锁定，所述的锁定是将柱体10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，将含有第一信号光纤6的柱体10依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲曲率下第一信号光纤6的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟
7合的方法得到弯曲曲率与第一信号光纤6损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为C1 = K Δ α j + ε 公式一式中=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；步骤二、第一信号光纤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9上的含第一信号光纤6的柱体10随着待测物体9的弯曲而弯曲，第一信号光纤6的损耗值也随之变化，通过测试单元5获得第一信号光纤6的损耗变化值，并将该值传递给处理单元7，其中，两端固定于待测物体9上的柱体10在初始状态或直线状态时其长度与标定时的长度一致；步骤三、处理单元7利用第一信号光纤6损耗变化值及公式一给出待测物体9的弯曲曲率。优选的做法是，在需要进一步提高测试精度时，需要考虑温度的影响，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修正，此时步骤一的公式一中的△、是表示不同弯曲曲率和温度下光信号的损耗变化值，步骤三中，处理单元7利用第一信号光纤6损耗变化值、温度参数及公式一给出待测物体9的弯曲曲率。待测物体9也可以是一将柱体10包裹于其内的管状结构。分布于柱体10上的缝隙4也可以呈现出V字型，即上安装节段21与下安装节段 22的一端是相接的，而没有柱体侧壁节段23。为防止水分子对光纤的侵蚀，在缝隙4内可以填充有阻水油膏。所述第一信号光纤6为外部包有多层保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述第一信号光纤6也可以是塑料光纤或光子晶体光纤。实施例2如图3，本实施例中，与实施例1不同的是包括设置在柱体10内与第一个信号光纤6并排的第二信号光纤8、连续布设在所述柱体10的多个第二组A侧变形齿4-3和多个第二组B侧变形齿4-4，所述第二信号光纤8夹持在多个第二组A侧变形齿4-3与多个第二组B侧变形齿4-4之间，所述多个第二组A侧变形齿4-3和多个第二组B侧变形齿4_4沿着柱体10每360度为一个周期，每个周期的起始点位于柱体10的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距、齿高或变形齿接触第二信号光纤8的顶端部分的弯曲曲率是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距、齿高或变形齿顶端的弯曲曲率是单调变化且趋势是一致的，即单调变化要么都是单调增加或单调减少的，第二个信号光纤8通过传输光纤1连接测试单元5。这样在第一信号光纤6探测出待测物体9的弯曲曲率时，处理单元7根据事先的标定，即第二信号光纤8的不同的衰减损耗对应不同的弯曲方向，则通过第二信号光纤8的损耗值得出待测物体9的弯曲方向。基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，在实施例1中的步骤三完成后， 再进行如下步骤步骤四、包含在柱体10中的第二信号光纤8的光信号损耗变化值与柱体10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，将含有第二信号光纤8的柱体10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信号光纤8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与第二信号光纤8损耗变化值及弯曲曲率变化值的比例因子K θ (C)，其关系可表示为θ = K0 (C) Δ α θ+ ε θ 公式二式中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 θ为得到的误差值；步骤五、第二信号光纤8传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体9上的含第二信号光纤8的柱体10随着待测物体9的弯曲的而弯曲，第二信号光纤8的损耗值也随着待测物体9的弯曲曲率和弯曲方向角度的变化而变化，通过测试单元5获得第二信号光纤8的损耗变化值，并将该值传递给处理单元7 ；步骤六、处理单元7利用第二信号光纤8损耗变化值、第一信号光纤6确定的弯曲曲率及公式二给出待测物体9的弯曲方向角度。通过选择较低膨胀系数的材料来制作柱体10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，优选的做法是，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K0 (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7来对测试结果修正，此时步骤四中公式二应为 θ =Ke(C, Τ) Δ α θ+ε θ, Δ α 0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，T是标定时的温度，K0 (C，T)是得到的不同弯曲曲率、温度下比例因子，步骤六中，处理单元7利用第二信号光纤8损耗变化值、第一信号光纤6确定的弯曲曲率、温度参数及公式θ =Ke (C, Τ) Δ α θ+ε θ给出待测物体9的弯曲方向角度。使本发明的测试装置和测试方法不仅可以确定待测物体9的弯曲曲率，同时确定待测物体9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3如图4所示，本实施例中，与实施例2不同的是在待测物体9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9上的含信号光纤6的柱体10， 且所述柱体10中的信号光纤6串联在一起，当待测物体9的待测弯曲曲率变化是分时变化时，通过测试分别得到每个部分信号光纤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信号光纤8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通过确定每个柱体10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9的最终状态，并通过与处理单元7相连接的显示单元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2相同。实施例4本实施例中，与实施例2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、每个部分第一信号光纤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信号光纤8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通过确定每个柱体10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9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2相同。实施例5如图5所示，本实施例中，与实施例2不同的是每个柱体10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、每个部分第一信号光纤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信号光纤8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通过确定每个柱体10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9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2相同。实施例6本实施例中，与实施例2不同的是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，对应于柱体10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，第二个信号光纤8连接测试单元5。在我们只需要确定待测物体9 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7根据第一信号光纤6确定的曲率和第二信号光纤8的损耗变化值，以及事先的标定数据确定出待测物体9的弯曲方向。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换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，其特征在于包括两端固定在待测物体(9)上且在其端部所施加外应力的作用下能发生变形的柱体(10)、由上至下布设在柱体(10)外侧壁或内侧壁上的曲线形缝隙(4)和分别布设在曲线形缝隙内部相对两侧的多组第一 A侧变形齿(4-1)和多组第一 B侧变形齿G-2)，所述柱体(10)包括上安装节段和下安装节段(22)，所述上安装节段布设在下安装节段0 上方且二者间通过柱体侧壁节段进行连接，所述多组第一 A侧变形齿(4-1)和多组第一 B侧变形齿 (4-2)分别安装在上安装节段和下安装节段(22)，每一组第一 A侧变形齿(4-1)均包括一个第一 A侧变形齿(4-1)或并排布设的多个第一 A侧变形齿G-1)，每一组第一 B侧变形齿(4- 均包括一个第一 B侧变形齿(4- 或并排布设的多个第一 B侧变形齿0-2)， 且至少有一列第一 A侧变形齿G-1)和第一 B侧变形齿G-2)的齿距是均勻的，多组第一 A侧变形齿(4-1)和多组第一 B侧变形齿(4- 之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤(6)穿过的曲线形通道，所述第一信号光纤(6)连接有对第一信号光纤(6)中的光信号功率变化量进行同步测试的测试单元(5)，所述测试单元( 连接有对测试单元(5)的测试结果进行分析处理的处理单元(7)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，其特征在于包括设置在柱体(10)内与第一个信号光纤(6)并排的第二信号光纤(8)、连续布设在所述柱体(10)的多个第二组A侧变形齿(4- 和多个第二组B侧变形齿G-4)，所述第二信号光纤(8)夹持在多个第二组A侧变形齿G-3)与多个第二组B侧变形齿(4-4)之间， 所述的多个第二组A侧变形齿(4- 和多个第二组B侧变形齿(4-4)沿着柱体(10)每360 度为一个周期，每个周期的起始点位于柱体(10)的同一个方向，并作为零角度，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，第二个信号光纤(8)通过传输光纤(1)连接测试单元(5)。
3.根据权利要求2所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，其特征在于所述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，在对应于柱体(10)同一个方向的每个周期上的对应的区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。
4.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置，其特征在于所述柱体(10)与测试单元(5)之间连接有光开关(30)。
5.基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、包含在柱体(10)中的第一信号光纤(6)的光信号损耗变化值与柱体(10)弯曲曲率的比例因子的标定标定的方法将含有第一信号光纤(6)的柱体(10)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，将含有第一信号光纤(6)的柱体(10)依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲曲率下第一信号光纤(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与第一信号光纤(6)损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为C1 = K Δ α i+ ε 公式一式中=C1表示标定时不同的弯曲曲率值，△ 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；步骤二、第一信号光纤(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 (9)上的含第一信号光纤(6)的柱体(10)随着待测物体(9)的弯曲而弯曲，第一信号光纤(6)的损耗值也随之变化，通过测试单元( 获得第一信号光纤(6)的损耗变化值，并将该值传递给处理单元(7)，其中，两端固定于待测物体(9)上的柱体(10)在初始状态或直线状态时其长度与标定时的长度一致；步骤三、处理单元(7)利用第一信号光纤(6)损耗变化值及公式一给出待测物体(9) 的弯曲曲率。
6.根据权利要求5所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于，在步骤三完成后，再进行如下步骤步骤四、包含在柱体(10)中的第二信号光纤(8)的光信号损耗变化值与柱体(10)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，将含有第二信号光纤(8)的柱体(10)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信号光纤(8)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与第二信号光纤(8)损耗变化值及弯曲曲率变化值的比例因子K θ (C)，其关系可表示为 θ =Ke(C) Δ α θ+ε θ 公式二式中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，△ 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 θ为得到的误差值； 步骤五、第二信号光纤(8)传输的光信号的损耗变化值的采集两端固定于待测物体 (9)上的含第二信号光纤(8)的柱体(10)随着待测物体(9)的弯曲的而弯曲，第二信号光纤(8)的损耗值也随着待测物体(9)的弯曲曲率和弯曲方向角度的变化而变化，通过测试单元( 获得第二信号光纤(8)的损耗变化值，并将该值传递给处理单元(7)；步骤六、处理单元(7)利用第二信号光纤(8)损耗变化值、第一信号光纤(6)确定的弯曲曲率及公式二给出待测物体(9)的弯曲方向角度。
7.根据权利要求5所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于当待测物体(9)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(9)上的含信号光纤的柱体(10)，且所述柱体(10)中的第一信号光纤(6)串联在一起。
8.根据权利要求6所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于当待测物体(9)是由多个可弯曲的部分构成时，处理单元(7)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(9)的最终状态。
9.根据权利要求6所述的基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定方法，其特征在于当待测物体(9)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或相干频率调制连续波技术测试单元( 分别得到多个时刻、每个部分第一信号光纤(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信号光纤(8)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。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤弯曲损耗的柱体弯曲参量的测定装置及方法，所述装置包括柱体、布设在柱体上的曲线形缝隙和分别布设在曲线形缝隙内部的多组第一A侧变形齿和多组第一B侧变形齿，多组第一A侧变形齿和多组第一B侧变形齿间呈交错布设且二者头部间形成供第一信号光纤穿过的曲线形通道，第一信号光纤连接测试单元，测试单元连接处理单元。本发明还涉及上述弯曲参量的测定方法，包括第一信号光纤光信号损耗变化值与柱体弯曲曲率比例因子的标定；第一信号光纤传输光信号的损耗变化值的采集；处理单元利用第一信号光纤损耗变化值及公式一给出待测物体的弯曲曲率。本发明不仅可以确定待测物体的弯曲曲率，还能进一步确定待测物体的弯曲方向。
文档编号G01B11/24GK102466468SQ20101053180
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司