本申請(qǐng)要求2016年10月31日提交的，申請(qǐng)?zhí)朇N2016109313960的中國發(fā)明專利申請(qǐng)的優(yōu)選權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于FBG的柔性材料空間形狀的檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

面向高性能飛行器結(jié)構(gòu)形態(tài)主動(dòng)監(jiān)測(cè)研究背景下，對(duì)于形狀的檢測(cè)裝置具有重量輕、體積小、抗磁能力強(qiáng)、適應(yīng)極端惡劣環(huán)境的要求。在這種極端苛刻要求下，以光纖光柵原理的形狀感知傳感器具有很大優(yōu)勢(shì)。

面向航空航天器柔性結(jié)構(gòu)形變狀態(tài)主動(dòng)監(jiān)測(cè)研究，分布式智能傳感技術(shù)及其信息處理方法構(gòu)成關(guān)鍵內(nèi)容之一?；诜且曈X傳感方法將光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分布式植入于待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，通過獲取結(jié)構(gòu)形變的分布傳感信息并進(jìn)行處理，進(jìn)而基于相關(guān)重建算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)可視化；其中，對(duì)于細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)的分布植入式傳感陣列檢測(cè)技術(shù)，以及基于分布曲率信息的空間曲線重構(gòu)方法研究，對(duì)于航空航天若干典型柔性結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螒B(tài)主動(dòng)監(jiān)測(cè)，如桁架結(jié)構(gòu)、龍骨結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)，更具有現(xiàn)實(shí)和重要的意義。但是，目前采用的柔性材料空間檢測(cè)方法采用的光纖光柵傳感器存在檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)光譜解調(diào)混疊，波長漂移量過大的問題，使重構(gòu)的三維空間曲線不能準(zhǔn)確還原被檢測(cè)物體的形狀。

因此，需要一種有效降低檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)光譜解調(diào)混疊、完美重構(gòu)三維空間曲線的基于FBG的柔性材料空間形狀的檢測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于FBG的柔性材料空間形狀的檢測(cè)方法，所述方法包括如下步驟：

a、在柔性檢測(cè)桿上布置三根光纖光柵，其中所述光纖光柵等間距陣列于柔性檢測(cè)桿表面，使相鄰光纖光柵在柔性檢測(cè)桿縱截面的夾角成120度，每根光纖光柵的光柵≤20個(gè)；

b、確定柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)；

c、將布置有所述三根光纖光柵的柔性檢測(cè)桿置于待測(cè)物表面，獲取待測(cè)物表面檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)；

d、將步驟c中獲取的所述應(yīng)變信號(hào)通過光開關(guān)送至光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)為波長信號(hào)；

e、將所述波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率，并由所述三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率計(jì)算得到所述柔性檢測(cè)桿的曲率；

f、根據(jù)所述柔性檢測(cè)桿的曲率建立遞推數(shù)學(xué)模型繪制三維空間曲線還原待測(cè)物的形狀。

優(yōu)選地，每根光纖光柵的光柵選用5-7個(gè)。

優(yōu)選地，每根光纖光柵的光柵均勻分布。

優(yōu)選地，所述柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)通過圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定，具體步驟為：

b1、記錄所述柔性檢測(cè)桿不同彎曲狀態(tài)下的曲率，以及對(duì)應(yīng)該狀態(tài)下所述每根光纖光柵的中心波長；

b2、將步驟b1中得到曲率和所述中心波長通過數(shù)據(jù)擬合得到柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟e中通過柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)將所示數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率。

優(yōu)選地，所述步驟e中柔性檢測(cè)桿的曲率通過將三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率轉(zhuǎn)換為x軸和y軸方向上的曲率得到。

優(yōu)選地，所述三維空間曲線的繪制方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

f1、將柔性檢測(cè)桿每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)建立自坐標(biāo)系，確定每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的弧角；

f2、構(gòu)建相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的遞推矩陣，將后一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至前一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的自坐標(biāo)；

f3、重復(fù)步驟f2將所有的檢測(cè)點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至基坐標(biāo)，完成曲線繪制。

優(yōu)選地，所述柔性檢測(cè)桿選用0.8mm直徑鈦鎳合金材料制成。

本發(fā)明提供的基于FBG的柔性材料空間形狀的檢測(cè)方法，在整個(gè)被測(cè)物體上放置多個(gè)曲率檢測(cè)光纖光柵，對(duì)多點(diǎn)的曲率檢測(cè)是以并行方式同時(shí)進(jìn)行的，因此整個(gè)形狀檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，既能適用腔道內(nèi)的曲線檢測(cè)，也能適用任意空間曲線的檢測(cè)。本發(fā)明采用三根光纖光柵等間距陣列于柔性檢測(cè)桿表面，每根光纖光柵的光柵≤20個(gè)，有效降低檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)光譜解調(diào)混疊和波長漂移量過大的問題，使重構(gòu)的三維空間曲線能準(zhǔn)確還原被檢測(cè)物體的形狀。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出了本發(fā)明所采用的柔性材料空間檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明基于FBG的柔性材料空間形狀的檢測(cè)流程框圖；

圖3示出了本發(fā)明柔性檢測(cè)桿的曲率ρ與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ的關(guān)系示意圖；

圖4示出了本發(fā)明三根光纖光柵的分布以及檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖；

圖5示出了本發(fā)明檢測(cè)桿曲率計(jì)算示意圖；

圖6示出了本發(fā)明三維空間曲線繪制過程示意圖；

圖7示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中被檢測(cè)柔性材料形狀；

圖8示出了本發(fā)明重構(gòu)的柔性材料形狀。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

下文的本實(shí)施例中，對(duì)本發(fā)明基于FBG的柔性材料空間形狀檢測(cè)方法進(jìn)行說明之前，需要對(duì)本發(fā)明所采用的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行說明，如圖1所示本發(fā)明所采用的柔性材料空間檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，檢測(cè)系統(tǒng)包括寬帶光源103、光纖光柵耦合器104、光開關(guān)105、光纖光柵解調(diào)儀102、顯示器101以及光纖光柵陣列106，其中光纖光柵陣列包括三根光纖光柵，每根光纖光柵1061上具有數(shù)目不多于20個(gè)的光柵10611。優(yōu)選地，本實(shí)施例中選用6個(gè)光柵。

對(duì)柔性材料空間形狀檢測(cè)時(shí)，將三根光纖光柵10611粘貼在柔性檢測(cè)桿上，對(duì)于柔性檢測(cè)桿變形進(jìn)行信號(hào)采集，對(duì)信號(hào)處理后重建柔性檢測(cè)桿的三維空間形狀，從而還原柔性材料空間形狀。優(yōu)選地，本實(shí)施例中選用0.8mm直徑鈦鎳合金材料作為柔性檢測(cè)桿，從而使檢測(cè)桿具有更加穩(wěn)定的變形，以保證與被測(cè)物體變形保持一致。

如圖1所示，寬帶光源103發(fā)射光波，經(jīng)光纖光柵耦合器104和光開關(guān)105進(jìn)入光纖光柵陣列106獲取檢測(cè)桿的應(yīng)變信號(hào)，之后獲取的應(yīng)變信號(hào)通過光開關(guān)105和光纖光柵耦合器104送至光纖光柵解調(diào)儀轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送至顯示器101進(jìn)行處理并將轉(zhuǎn)換為三維空間曲線顯示。優(yōu)選地，光開關(guān)選用1×4的光開關(guān)。

下面通過本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)檢測(cè)方法進(jìn)行說明，為了更加清楚簡潔的說明本發(fā)明，實(shí)施例中將三根光纖光柵分別表為光纖a、光纖b和光纖c，每根光纖光柵上有6個(gè)光柵作為檢測(cè)點(diǎn)。如圖2所示本發(fā)明基于FBG的柔性材料空間形狀的檢測(cè)流程框圖，具體地，本發(fā)明提供的基于FBG的柔性材料空間形狀檢測(cè)方法具體包括如下步驟：

步驟S101、在柔性檢測(cè)桿上布置三根光纖光柵，其中所述光纖光柵等間距陣列于柔性檢測(cè)桿表面，使相鄰光纖光柵在柔性檢測(cè)桿縱截面的夾角成120度，每根光纖光柵的光柵≤20個(gè)。

步驟S102、確定柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)。柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)K通過圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定，具體過程為：

(1)將柔性檢測(cè)桿改變形狀，記錄所述柔性檢測(cè)桿不同彎曲狀態(tài)下的曲率ρ，以及對(duì)應(yīng)該狀態(tài)下所述每根光纖光柵的中心波長λ。

(2)將得到的柔性檢測(cè)桿的曲率ρ和對(duì)應(yīng)的光纖光柵的中心波長λ通過數(shù)據(jù)擬合得到柔性檢測(cè)桿的曲率ρ與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ之間的比例系數(shù)K，其中K＝λ×ρ。如圖3所示本發(fā)明柔性檢測(cè)桿的曲率ρ與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ的關(guān)系示意圖。

步驟S103、將布置有所述三根光纖光柵的柔性檢測(cè)桿置于待測(cè)物表面，獲取待測(cè)物表面檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)。

步驟S104、將步驟S103中獲取的所述應(yīng)變信號(hào)通過光開關(guān)送至光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)為波長信號(hào)。

步驟S105、將所述波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率，并由所述三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率計(jì)算得到所述柔性檢測(cè)桿的曲率。具體為：

(1)通過柔性檢測(cè)桿的曲率與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長之間的比例系數(shù)將所述波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率。

(2)柔性檢測(cè)桿的曲率通過將三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率轉(zhuǎn)換為x軸和y軸方向上的曲率得到。

如圖4所示本發(fā)明三根光纖光柵的分布以及檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖，圖5所示本發(fā)買那個(gè)檢測(cè)桿曲率計(jì)算示意圖，波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖a、光纖b和光纖c三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率，其中，光纖a、光纖b和光纖c檢測(cè)點(diǎn)的曲率分為ρ_a、ρ_b和ρ_c。上述波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率，由柔性檢測(cè)桿201的曲率ρ與每根光纖光柵的光柵點(diǎn)波長λ之間的比例系數(shù)K的關(guān)系K＝λ×ρ進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。

將三根光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率ρ_a、ρ_b和ρ_c轉(zhuǎn)換為檢測(cè)桿x軸和y軸方向上的曲率，其中

x軸方向的曲率為：

y軸方向的曲率為：

從而得到柔性檢測(cè)桿201的曲率：檢測(cè)桿x軸和y軸方向的曲率夾角為：

步驟S106、根據(jù)所述柔性檢測(cè)桿的曲率建立遞推數(shù)學(xué)模型繪制三維空間曲線還原待測(cè)物的形狀。其中

三維空間曲線的繪制方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)、將柔性檢測(cè)桿每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)建立自坐標(biāo)系，確定每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的弧角；

(2)、構(gòu)建相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的遞推矩陣，將后一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至前一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的自坐標(biāo)系；

(3)、重復(fù)步驟f2將所有的檢測(cè)點(diǎn)的自坐標(biāo)遞推至基坐標(biāo)系中，完成曲線繪制。

下面對(duì)上述三維空間曲線的繪制做具體說明，如圖6所示本發(fā)明三維空間曲線繪制過程示意圖；選取柔性檢測(cè)桿相鄰的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，將其中一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)用i表示，則與其相鄰的檢測(cè)點(diǎn)為i+1。對(duì)檢測(cè)點(diǎn)i建立自坐標(biāo)系，檢測(cè)點(diǎn)i位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)i的曲率為ρ_i，與x軸的夾角為a_i，由相鄰檢測(cè)點(diǎn)之間的曲線段弧線s，得到檢測(cè)點(diǎn)i的弧角

檢測(cè)點(diǎn)i+1的坐標(biāo)為(d_ia,d_ib,d_ic)，檢測(cè)點(diǎn)i+1的曲率為ρ_i+1，與x軸的夾角為a_i+1，由相鄰檢測(cè)點(diǎn)之間的曲線段弧線s，得到檢測(cè)點(diǎn)i的弧角依次確定每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的弧角。

構(gòu)建相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的遞推矩陣：

上述遞推矩陣滿足：t_i＝P×R1×R2×R3，且T_i+1＝T_i×t_i，其中T為方向向量，檢測(cè)點(diǎn)i+1相對(duì)于檢測(cè)點(diǎn)i點(diǎn)坐標(biāo)為F＝T_i+1×M_i+1，其中M_i+1＝[d_ia,d_ib,d_ic,1]^T，由此，將檢測(cè)點(diǎn)i＝0,1,…,n的坐標(biāo)依次遞推至基坐標(biāo)系中，完成曲線繪制。如圖7所示實(shí)施例中被檢測(cè)柔性材料形狀，圖8所示重構(gòu)的柔性材料形狀。

本實(shí)施例在檢測(cè)開始前，將檢測(cè)系統(tǒng)光纖光柵陣列的三根光纖光柵等間距成120度粘貼在檢測(cè)桿表面，以每個(gè)光纖光柵的光柵為檢測(cè)點(diǎn)，每根光纖光柵的光柵均勻分布，其中選用的每根光纖光柵的光柵為6個(gè)，從而保證在被測(cè)物應(yīng)變過大時(shí)，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)光譜解調(diào)不發(fā)生混疊。在另一些實(shí)施例中，每根光纖光柵的光柵選用不多于20個(gè)，優(yōu)選用5-7個(gè)。

本發(fā)明整個(gè)檢測(cè)系由光纖光柵陣列、光纖光柵解調(diào)儀、光開關(guān)和顯示器組成，不需要額外的輔助檢測(cè)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的組成簡單，無放射線對(duì)人體發(fā)生傷害。

本發(fā)明檢測(cè)方法測(cè)量范圍大，可以對(duì)微小尺寸下進(jìn)行動(dòng)態(tài)的大應(yīng)變測(cè)量，具有極強(qiáng)的耐腐蝕，抗電磁干擾能力，適應(yīng)惡劣環(huán)境下的形狀測(cè)量。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。