一种阵列式fbg传感数据映射伪彩色云图实现系统及方法【专利摘要】本发明公开了一种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图的系统及方法,包括1、对光纤光栅波长解调仪、每一路刻制光栅的光纤、每个传感单元进行编号；2、在上位机系统中设置一个中心波长标定数组A；3、建立彩色图表，在上位机系统中设置一个彩色图表；4、用波长解调仪进行解调；5、将解调仪输出的数组与中心波长标定数组A进行相减，获得实时数组B；6、将实时数组B中元素进行被测物理量的转换；7、利用显示装置对得到的被测物理量数组进行显示。本发明运用颜色的变化反映外界被测量的变化，能够准确的定位受力传感器的位置、直观的显示外界被测量的大小和施加点。【专利说明】一种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现系统及方法【
技术领域：
】[0001]本发明具体公开了一种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法。【
背景技术：
】[0002]现代信息技术是由信息的采集、传输和处理组成，信息的获取主要是依靠传感器和探测器，于是对传感器的发展提出了更高的要求。光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤光栅(FBG)作为一种新型的光无源器件，具有其他传感器无可比拟的优良特性。采用光纤光栅作为传感元件的主要优势之一，是可以在单路光纤上刻制多个光栅，形成FBG串，组成大型分布式阵列，可实现对多种物理量的测量。在光纤光栅传感器多元化发展的背景下，对短时间获取、存储、处理和显示大量的数据的要求越来越高，如何实时监测被测物理量和精确定位传感器显得尤为重要。[0003]光纤布拉格光栅(FBG)是利用光纤材料的光敏性,使光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化，在纤芯内形成空间相位光栅，能对波长满足布拉格反射条件的入射光产生反射。在单根光纤上刻制多个光栅形成FBG串，从而组成传感器阵列是利用了波分复用技术，波分复用是把不同的波长的光复用到一根光纤中进行传送的方式，在使用过程中要特别注意刻制的光栅的中心波长的分布，要保证光栅的中心波长不能重叠。光纤布拉格光栅的反射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，当外界温度或应变的变化影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率时，就会引起光纤光栅的反射峰波长变化，根据中心波长的变化就可以获得外界被测信号的变化情况。[0004]伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(colorlook-uptable，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色。彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口地址也称为索引号。例如16种颜色的查找表，O号索引对应黑色，...，15号索引对应白色。彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系。使用查找得到的数值显示的彩色是真的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。例如用RGB5:5:5表示的彩色图像，R，G，B各用5位，用R，G，B分量大小的值直接确定三个基色的强度，这样得到的彩色是真实的原图彩色。[0005]云图是指利用特定的色调、范围大小和分布形式来表征不同的物理特征的图像，有时为了某种特殊需要，也可将某一个或某几个范围的区域显著地突出出来，如果将这种装置的黑白显示器改为彩色显示器，就可以得到不同颜色表示不同范围的彩色云图，也就是将一个波段(通道)的图像上几个灰度等级范围分别赋以不同颜色而得到的一种彩色云图，即伪彩色云图。[0006]为了更加直观的显示阵列传感器的工作状态，目前多数研究者经常采用的显示方法是图形显示法。中国科学院合肥智能机械研究所的梅涛等人在“多功能阵列式触觉传感器的研究”文章中给出一张图形来显示压阻式传感器的工作状态，但是没有详细的描述。重庆大学的秦岚，裴利强曾在“新型智能机器人触觉传感服装阵列标定的研究”中提到使用LabVIEW中的强度图进行模拟压阻式传感阵列受压力效果图，这充分说明了图形化显示方法的优越性。在光纤传感器方面，韩国的Jin-SeokHeo,Jong-HaChung,Jung-JuLee研究者在TactilesensorarraysusingfiberBragggratingsensors文章中利用三维图等图形化语言来显示；目前国内还没有关于阵列式FBG传感器用伪彩色云图显示的文章。【
发明内容】[0007]为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法。[0008]本发明采用下述技术方案如下:[0009]一种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图的完整系统，包括宽带光源模块，阵列式FBG传感器传感模块，解调模块,接口模块以及上位机的数据处理模块和显示模块；[0010]宽带光源模块，其发射的光经过耦合器后通过光纤传输到阵列式FBG传感器；[0011]阵列式FBG传感器传感模块，用于感受外部物体的被测量，该模块是由多根光纤构成阵列式FBG传感器,在所述的光纤上刻制多个不同中心波长的光栅；[0012]传输模块，用于将阵列式FBG传感器感测到的光信号传输到解调模块；[0013]解调模块，用于实时获取阵列式FBG传感器传感模块中的光纤光栅的中心波长；[0014]接口模块，用于将解调模块检测的光纤光栅传感器的光纤光栅的中心波长数组传输到上位机数据处理模块；[0015]数据处理模块，用于处理光纤光栅的中心波长数组；[0016]显示模块，将处理后的光纤光栅的中心波长变化量数组用伪彩色云图的形式直观的显示施力点、受力大小、施力物体形状信息。[0017]所述的传输模块为光缆；所述的解调模块为解调仪，所述的接口模块为USB接口；所述的数据处理模块和显示模块集成在上位机上。[0018]阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，包括以下步骤:[0019]步骤I对光纤光栅波长解调仪、每一路刻制光栅的光纤、每个传感单元进行三个等级的编号；[0020]步骤2在上位机系统中设置一个中心波长标定数组A，数组A中编号对应阵列式FBG传感器的传感单元编号；[0021]步骤3建立彩色图表，在上位机系统中设置一个彩色图表，使被测物理量的值与彩色图表的像素值产生对应关系，其中不同的颜色代表不同的被测物理量值；[0022]步骤4用波长解调仪进行解调，每个波长解调仪都会输出一组数组；[0023]步骤5将解调仪输出的数组与中心波长标定数组A进行相减，获得实时数组B；[0024]步骤6将实时数组B中元素进行被测物理量的转换，即将光纤光栅中心波长变化值转化为相应的被测物理量，转换后得到被测物理量数组C；[0025]步骤7利用显示装置对步骤6得到的被测物理量数组C进行显示。[0026]所述的步骤I的具体过程如下:[0027]第一级:对光纤光栅波长解调仪编号；[0028]第二级:对每一路刻制光栅的光纤编号，采用波长复用技术在每一根光纤上刻制多个光栅，这样每根光就形成一路信号，需要对每路信号进行编号；[0029]第三级:对光纤光栅传感器阵列中的每个传感单元进行编号。对阵列式FBG传感器中的传感单元进行编号相当于对传感器中每一路光纤上刻制的光栅进行编号。[0030]所述的刻制光栅，按照从左向右，从上向下，中心波长为从小到大的变化排列编号;[0031]所述的步骤2具体方法如下:数组行数代表阵列传感器中的横向传感单元个数，数组列数代表阵列传感器中的纵向传感单元个数，数组元素为光纤光栅的标准中心波长；即不受外界被测因素影响时的光纤光栅原始波长。[0032]所述的步骤3的具体过程如下:[0033]在上位机系统中设置一个彩色查找表，伪彩色云图中是把像素值当作彩色查找表CLUT的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色；其中彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口地址作为索引号；彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系；将被测物理量按照变化关系换算成彩色查找表的索引号，使被测物理量的值与像素值产生对应关系，即不同的颜色代表不同的被测物理量值。[0034]所述的步骤4、5的中单个波长解调仪的处理过程如下:[0035]静态的阵列传感器采集到的数据是一个固定的二维数组，数组的行数和列数就是传感器阵列的行数和列数，并且行与行、列与列之间的距离是固定且已知的；选定好坐标系，每个传感器单元就对应着一个固定位置点，在坐标平面的相应点上按照二值化结果作图，就可以获得整体显示；[0036]动态数据传感器采集到的数据是一个不定的二维矩阵，每一列是一个光纤光栅的实时数据，接收到实时数据后，将第一列的数据与上述所设置的中心波长标定数组A内第一行第一列的数据相减，获得第一个光纤光栅传感单兀的中心波长偏移量△X，并放入实时数组B中的第一行第一列；然后再取出第二列的数据与上述所设置的中心波长标定数组A内第一行第二列的数据相减，获得第二个光纤光栅传感单元的中心波长偏移量△λ，并放入实时数组B中的第一行第二列；依次进行处理，当实时数组B中的列数与标定数组A中的列数相等后，再将行数标号加一，进入实时数组B的第二行，按照上述方式一直进行实时处理，最后获得一个实时变化的数组B，数组的行数是阵列传感器的横向传感单元个数，数组列数代表阵列传感器中的纵向传感单元个数，数组中的元素是实时变化的光纤光栅传感单元的中心波长变化值。[0037]所述的步骤6中将实时数组B中元素按照标定计算公式进行物理量的转换，即将光纤光栅中心波长变化值转化为相应的被测物理量，转换后的被测物理量数组简记为C。中心波长偏移量数组内数据利用如下公式进行物理量的转换:[0038]常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长λΒ条件可以由下式表示:[0039]λΒ=2ηΛ[0040]式中，入β为光纤光栅的中心波长；Λ—光栅周期；η—折射率。[0041]当宽带光源将光入射到光纤中时，光栅将反射其中波长为入，的分量。λΒ随应力与温度的漂移为:[0042]【权利要求】1.一种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图的系统，其特征在于，包括宽带光源模块，阵列式FBG传感器传感模块，解调模块，接口模块以及上位机的数据处理模块和显示模块；宽带光源模块，其发射的光光经过耦合器后通过光纤传输到阵列式FBG传感器；阵列式FBG传感器传感模块，用于感受外部物体的被测量，该模块是由多根光纤构成阵列式FBG传感器，在所述的光纤上刻制多个不同中心波长的光栅；传输模块，用于将阵列式FBG传感器感测到的光信号传输到解调模块；解调模块，用于实时获取阵列式FBG传感器传感模块中的光纤光栅的中心波长；接口模块，用于将解调模块检测的光纤光栅传感器的光纤光栅的中心波长数组传输到上位机数据处理模块；数据处理模块，用于处理光纤光栅的中心波长数组；显示模块，将处理后的光纤光栅的中心波长变化量数组用伪彩色云图的形式直观的显示出施力点、受力大小、施力物体形状信息。2.—种阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤I对光纤光栅波长解调仪、每一路刻制光栅的光纤、每个传感单元进行三个等级的编号；步骤2在上位机系统中设置一个中心波长标定数组A，数组A中编号对应阵列式FBG传感器的传感单元编号；步骤3建立彩色图表，在上位机系统中设置一个彩色图表，使被测物理量的值与彩色图表的像素值产生对应关系，其中不同的颜色代表不同的被测物理量值；步骤4用波长解调仪进行解调，每个波长解调仪都会输出一组数组；步骤5将解调仪输出的数组与中心波长标定数组A进行相减，获得实时数组B；步骤6将实时数组B中元素进行被测物理量的转换，即将光纤光栅中心波长变化值转化为相应的被测物理量，转换后得到被测物理量数组C；步骤7利用显示装置对步骤6得到的被测物理量数组进行显示。3.如权利要求2所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的步骤I的具体过程如下:第一级:对光纤光栅波长解调仪编号；第二级:对每一路刻制光栅的光纤编号，采用波长复用技术在每一根光纤上刻制多个光栅，这样每根光就形成一路信号，需要对每路信号进行编号；第三级:对光纤光栅传感器阵列中的每个传感单元进行编号；对阵列式FBG传感器中的传感单元进行编号相当于对传感器中每一路光纤上刻制的光栅进行编号。4.如权利要求3所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的刻制光栅，按照从左向右，从上向下，中心波长为从小到大的变化排列编号。5.如权利要求3所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的步骤2具体方法如下:数组行数代表阵列传感器中的横向传感单元个数，数组列数代表阵列传感器中的纵向传感单元个数，数组元素为光纤光栅的标准中心波长；即不受外界被测因素影响时的光纤光栅原始波长。6.如权利要求3所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的步骤3的具体过程如下:在上位机系统中设置一个彩色查找表，伪彩色云图中是把像素值当作彩色查找表CLUT的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色称为伪彩色；其中彩色查找表CLUT是一个事先做好的表，表项入口地址作为索引号；彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系；将被测物理量按照变化关系换算成彩色查找表的索引号，使被测物理量的值与像素值产生对应关系，即不同的颜色代表不同的被测物理量值。7.如权利要求3所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的步骤4或5的中单个波长解调仪的处理过程如下:静态的阵列传感器采集到的数据是一个固定的二维数组，数组的行数和列数就是传感器阵列的行数和列数，并且行与行、列与列之间的距离是固定且已知的；选定好坐标系，每个传感器单元就对应着一个固定位置点，在坐标平面的相应点上按照二值化的结果作图，获得整体显示；动态数据传感器采集到的数据是一个不定的二维矩阵，每一列是一个光纤光栅的实时数据，接收到实时数据后，将第一列的数据与上述所设置的中心波长标定数组A内第一行第一列的数据相减，获得第一个光纤光栅传感单兀的中心波长偏移量Λλ，并放入实时数组B中的第一行第一列；然后再取出第二列的数据与上述所设置的中心波长标定数组A内第一行第二列的数据相减，获得第二个光纤光栅传感单元的中心波长偏移量Λλ，并放入实时数组B中的第一行第二列；依次进行处理，当实时数组B中的列数与标定数组A中的列数相等后，再将行数标号加一，进入实时数组B的第二行，按照上述方式一直进行实时处理，最后获得一个实时变化的数组B，数组的行数是阵列传感器的横向传感单元个数，数组列数代表阵列传感器中的纵向传感单元个数，数组中的元素是实时变化的光纤光栅传感单元的中心波长变化值。8.如权利要求3所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的步骤6的具体过程如下:常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测，光栅布拉格波长λΒ条件可以由下式表示:λΒ=2ηΛ式中，λΒ为光纤光栅的中心波长；Λ一光栅周期；η—折射率；当宽带光源将光入射到光纤中时，光栅将反射其中波长为λΒ的分量；λΒ随应力与温度的漂移为:9.如权利要求3所述的阵列式FBG传感数据映射伪彩色云图实现方法，其特征在于，所述的步骤7的详细过程如下:(7-1)在上位机上实现伪彩图阵列作图，此伪彩图由纵横交叉的小网格组成，每个小网格代表一个光纤FBG阵列传感器中的传感单元，每个传感器单元就对应着一个固定位置占.(7-2)根据步骤6获得的被测物理量数组C中的数据进行查找彩色图表，被测物理量数组C中的数据和彩色查找表的索引号在初始化中已经设置完成，检索到彩色图表中的相应索引号对应的伪彩色值即代表外界被测物理量施加到相应传感单元的值大小；(7-3)查到伪彩色值后，根据数组中位置获得传感器的位置，即代表传感器的网格的地址，在伪彩图相应的网格位置上显示出来伪彩色；(7-4)在查到的确定的颜色之间运用“插值”算法，将传感器与传感器之间的缝隙插入渐变颜色，使反映的外界被测量更形象。【文档编号】G01D5/26GK103968863SQ201410211254【公开日】2014年8月6日申请日期:2014年5月19日优先权日:2014年5月19日【发明者】蒋奇,宋金雪,李贻斌,宋锐,贾玉玺申请人:山东大学