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一種基于光纖光柵和紅外雙傳感技術(shù)的多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法

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一種基于光纖光柵和紅外雙傳感技術(shù)的多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法與工藝

本發(fā)明屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種基于光纖光柵和紅外雙傳感技術(shù)的多物理場(chǎng)(溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)/振動(dòng))同步精密測(cè)量系統(tǒng)。



背景技術(shù):

切削加工過(guò)程中伴隨著復(fù)雜的力熱耦合現(xiàn)象,精確地測(cè)量加工過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、振動(dòng)(尤其是監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中的顫振現(xiàn)象),對(duì)于加工過(guò)程的機(jī)理研究具有重要作用。現(xiàn)有的加工溫度測(cè)量方法主要包括熱電偶法、紅外熱輻射法、具有已知熔點(diǎn)的細(xì)粉末涂層法、熱敏涂料法等;而現(xiàn)有的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)包括莫爾條紋,熱彈性應(yīng)力分析,激光散斑干涉,以及數(shù)字圖像相關(guān)等方法。

上述現(xiàn)有的測(cè)量方法存在以下問(wèn)題:1)大部分方法只能對(duì)切削過(guò)程中的平均溫度或有限點(diǎn)位置處的溫度進(jìn)行測(cè)量,而且盡管許多研究人員已使用紅外熱像儀法對(duì)整個(gè)切削過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,紅外熱像儀的測(cè)量精度低,尤其是對(duì)于金屬材料的加工溫度場(chǎng)的測(cè)量,金屬的高反射率導(dǎo)致紅外發(fā)射率很低,并且發(fā)射率隨著溫度變化而不同,使得紅外切削溫度場(chǎng)測(cè)量誤差大;2)作為通用的應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量方法—數(shù)字圖像相關(guān)法,其高溫?zé)彷椛鋵?duì)傳統(tǒng)高速數(shù)碼相機(jī)的成像產(chǎn)生干擾,而且數(shù)字圖像相關(guān)法所得到的是位移場(chǎng),當(dāng)將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)變場(chǎng)時(shí),測(cè)量噪聲不可避免地被放大;3)雖然從切削機(jī)理上看,切削過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、振動(dòng)是一個(gè)耦合且不斷相互轉(zhuǎn)換的物理場(chǎng)過(guò)程,但是目前沒(méi)有資料顯示,有人員從測(cè)量的角度對(duì)這三個(gè)場(chǎng)進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求,本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵和紅外雙傳感技術(shù)的多物理場(chǎng)(溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、振動(dòng))測(cè)量系統(tǒng),其利用光纖光柵和紅外技術(shù)構(gòu)建一個(gè)雙傳感器系統(tǒng),結(jié)合這兩類傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì),對(duì)切削加工過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)進(jìn)行同步精密測(cè)量,實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中切削區(qū)域附近多種物理場(chǎng)的精密測(cè)量,從而有助于切削機(jī)理的研究。

為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵和紅外雙傳感技術(shù)的多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)包括光纖光柵傳感單元、紅外熱像儀傳感單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制處理單元,其中:

所述光纖光柵傳感單元包括彼此相連的光纖光柵傳感器和光纖解調(diào)儀,所述光纖光柵傳感器用于獲得切削加工過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)數(shù)據(jù),其粘貼至待測(cè)工件上,所述光纖解調(diào)儀與所述控制處理單元相連;

所述紅外熱像儀傳感單元包括彼此相連的紅外熱像儀和數(shù)字圖像采集卡,所述紅外熱像儀用于獲得切削加工過(guò)程中的紅外成像數(shù)據(jù),所述數(shù)字圖像采集卡與所述控制處理單元相連;

所述數(shù)據(jù)采集單元包括帶輸入輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡,其輸出端分別與光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀相連,其輸入端與所述控制處理單元相連;

所述控制處理單元用于實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)數(shù)據(jù)以及紅外圖像數(shù)據(jù)的同步獲取,并根據(jù)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)數(shù)據(jù)以及紅外圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)的多物理場(chǎng)同步測(cè)量。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的,所述光纖光柵傳感器的采樣率為2MHz,其光柵在布點(diǎn)上的空間分辨率小于0.2mm。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的,所述根據(jù)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)數(shù)據(jù)以及紅外圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)的多物理場(chǎng)同步測(cè)量包括溫度場(chǎng)測(cè)量、應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的,所述溫度場(chǎng)測(cè)量測(cè)量具體為:通過(guò)分布布置的光纖光柵傳感器獲得待測(cè)位置處的溫度值,通過(guò)紅外熱像儀測(cè)量獲得待測(cè)位置處的紅外表征溫度,根據(jù)所述溫度值和紅外表征溫度計(jì)算出待測(cè)位置處的發(fā)射率;對(duì)所述發(fā)射率進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)建模,獲得發(fā)射率空間統(tǒng)計(jì)模型;根據(jù)發(fā)射率空間統(tǒng)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的測(cè)量。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的,所述應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量具體為:根據(jù)所述紅外熱像儀(21)測(cè)量的紅外數(shù)字圖像獲得應(yīng)變值,根據(jù)所述光纖光柵傳感器(11)獲得待測(cè)位置處的應(yīng)變值;根據(jù)紅外數(shù)字圖像獲得應(yīng)變值以及光纖光柵傳感器(11)獲得應(yīng)變值建立貝葉斯信息融合模型,并獲得后驗(yàn)概率密度函數(shù)模型;根據(jù)所述貝葉斯信息融合模型和后驗(yàn)概率密度函數(shù)模型獲得補(bǔ)償后應(yīng)變場(chǎng)值,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量區(qū)域的應(yīng)變場(chǎng)精確補(bǔ)償測(cè)量。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的,所述振動(dòng)測(cè)量具體為:利用分布布置的光纖光柵傳感器以高采樣率獲得待測(cè)位置處的應(yīng)變數(shù)據(jù);對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行變化,得到應(yīng)變振動(dòng)信號(hào);根據(jù)應(yīng)變振動(dòng)信號(hào)構(gòu)建整個(gè)測(cè)量區(qū)域的三維振動(dòng)場(chǎng)。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的,所述高采樣率具體為2MHz。

總體而言,通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):

1.本發(fā)明通過(guò)研究設(shè)計(jì)包括光纖光柵傳感單元、紅外熱像儀傳感單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制處理單元的多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),以利用光纖光柵和紅外技術(shù)構(gòu)建一個(gè)雙傳感器系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)切削加工過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)等多種物理場(chǎng)的同步精密測(cè)量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.本發(fā)明利用光纖光柵傳感器的分布式精確溫度數(shù)據(jù),紅外熱像儀的紅外表征溫度場(chǎng),通過(guò)算法補(bǔ)償,可實(shí)現(xiàn)多種加工過(guò)程中切削區(qū)域附近的溫度場(chǎng)精確測(cè)量,例如車削、銑削、刨削、磨削等不同的加工過(guò)程。

3.本發(fā)明利用光纖光柵傳感器的分布式精確應(yīng)變數(shù)據(jù),紅外熱像儀的紅外圖像,可從時(shí)間域和空間域上對(duì)紅外圖像的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量區(qū)域的應(yīng)變場(chǎng)精密測(cè)量。

4.本發(fā)明利用光纖光柵傳感器高頻應(yīng)變信號(hào),經(jīng)轉(zhuǎn)換后獲得應(yīng)變振動(dòng)數(shù)據(jù),并根據(jù)其分布式測(cè)量的特點(diǎn),可構(gòu)造出三維振動(dòng)場(chǎng)模型。

5.本發(fā)明實(shí)時(shí)測(cè)量獲得的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)等多物理場(chǎng),通過(guò)大數(shù)據(jù)分析,可將物理場(chǎng)與加工數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系,將更好地揭示切削加工機(jī)理。

6.本發(fā)明不局限于加工的應(yīng)用場(chǎng)景,類似的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)測(cè)量,本發(fā)明都具有精確測(cè)量的潛在能力。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2是本發(fā)明光纖光柵傳感器的布置示意圖;

圖3是本發(fā)明溫度場(chǎng)精密測(cè)量的原理圖;

圖4是本發(fā)明應(yīng)變場(chǎng)精密測(cè)量的原理圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示,本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光纖光柵和紅外雙傳感技術(shù)的多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),其主要包括光纖光柵傳感單元、紅外熱像儀傳感單元、數(shù)據(jù)采集單元和控制處理單元,其中,光纖光柵傳感單元用于實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等多個(gè)參數(shù)以及不同測(cè)量位置的多參數(shù)分布式測(cè)量,紅外熱像儀傳感單元用于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中紅外圖像數(shù)據(jù)的采集,數(shù)據(jù)采集單元具有多通道的輸入輸出數(shù)字信號(hào)功能,用于實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源信號(hào)的同步采集,控制處理單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)處理,包括不同來(lái)源信號(hào)的軟件/硬件同步,數(shù)據(jù)的記錄和回放,不同來(lái)源信號(hào)的數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)的精密測(cè)量。通過(guò)本發(fā)明上述各個(gè)單元的相互配合,可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)的精確測(cè)量,通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量可對(duì)切削過(guò)程中三個(gè)物理場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行分析,并且通過(guò)將本發(fā)明所測(cè)量的這三個(gè)物理場(chǎng)與切削參數(shù)之間建立映射關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)從大數(shù)據(jù)的角度揭示切削加工機(jī)理。

如圖1所示,光纖光柵傳感單元包括光纖光柵傳感器11和光纖解調(diào)儀12,其中,光纖光柵傳感器11用于獲得切削加工過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)數(shù)據(jù)(即用于獲得切削測(cè)量對(duì)象的溫度、應(yīng)變、振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)),所述光纖解調(diào)儀12用于將光纖光柵傳感器11獲得的響應(yīng)信號(hào)解析成數(shù)字信號(hào)送入控制處理單元進(jìn)行處理,兩者彼此相連,光纖解調(diào)儀12例如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)串口與控制處理單元相連。使用時(shí),將光纖光柵傳感器11粘貼至待測(cè)工件7上,光纖光柵的采樣率實(shí)際可達(dá)到2MHz,空間分辨率小于0.2mm。所述光纖光柵傳感單元還包括與光纖解調(diào)儀相關(guān)的輔助測(cè)量裝置,例如當(dāng)對(duì)車削中的溫度場(chǎng)測(cè)量時(shí),信號(hào)傳輸所需要的旋轉(zhuǎn)光耦合器。

紅外熱像儀傳感單元包括紅外熱像儀21和數(shù)字圖像采集卡22,兩者彼此相連,其中,紅外熱像儀21用于獲得紅外圖像數(shù)據(jù),數(shù)字圖像采集卡22用于將紅外圖像數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)送入控制處理單元中進(jìn)行處理,其與控制處理單元相連。

數(shù)據(jù)采集單元包括帶輸入輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡3,其輸出端分別與光纖解調(diào)儀12和紅外熱像儀21相連,其輸入端例如通過(guò)USB端口或串口與所述控制處理單元相連。本發(fā)明選用帶輸入輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡3可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源之間的同步。

控制處理單元用于實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)(即光纖光柵傳感器獲得的切削加工過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)數(shù)據(jù))和紅外圖像數(shù)據(jù)的同步獲取,并根據(jù)光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)和紅外圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)的多物理場(chǎng)同步測(cè)量,其包括工控機(jī)4和軟件平臺(tái)5。借助于數(shù)據(jù)采集卡3和工控機(jī)上的軟件平臺(tái)5,可實(shí)現(xiàn)光纖光柵和紅外熱像儀信號(hào)源的軟件同步和硬件同步,實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器和紅外熱像儀數(shù)據(jù)的同步采集。

具體的,同步采集采用外部硬件觸發(fā)的形式,例如選用NI 9041數(shù)據(jù)采集卡(8通道雙向數(shù)字輸入/輸出),分別對(duì)光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀進(jìn)行外部硬件觸發(fā)。當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),軟件系統(tǒng)通過(guò)NI 9041數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送脈沖指令,對(duì)光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀進(jìn)行外部硬件觸發(fā)采集指令,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀的數(shù)據(jù)的同步采集。

圖2為光纖光柵傳感器在工件切削區(qū)域的粘貼位置,光纖光柵傳感器和紅外熱像儀在同一溫度場(chǎng)中,光纖光柵傳感器可以方便地實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量,圖2中6表示刀具,7表示待測(cè)工件,11表示光纖光柵傳感器。光纖光柵優(yōu)選采用如圖2所示的方式布置在工件上,其中,在該布置方式中,共有十五個(gè)短線條,十五個(gè)短線條表示十五個(gè)光柵,是光纖光柵傳感器中的敏感元件(測(cè)量溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等現(xiàn)象的敏感元件),分別代表十五個(gè)分布式的測(cè)量位置。當(dāng)然也可以用激光直接在光纖上刻蝕不同尺寸和分布的光柵,此時(shí)光柵的空間分辨率可進(jìn)一步降低。

其中,光柵位置的選擇對(duì)于測(cè)量成功與否至關(guān)重要。光柵位置的選擇主要是依據(jù)溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)的特點(diǎn),測(cè)量之前需要利用有限元法或解析法對(duì)切削加工的溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行分析,掌握溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)的分布情況,然后據(jù)此合適的位置布置光柵。例如在加工過(guò)程中,靠近刀具尖端(主變形區(qū)和第二變形區(qū))的小區(qū)域具有較高的溫度/應(yīng)變值和相應(yīng)的梯度值。因此,這些區(qū)域具有較為密集的光柵傳感器,而其它區(qū)域則布置了較為稀疏的光柵傳感器。

下面對(duì)本發(fā)明的多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的描述。

測(cè)試前,用酒精對(duì)粘貼光纖光柵傳感器的位置處進(jìn)行清洗,保證沒(méi)有油污等雜質(zhì);根據(jù)測(cè)量的溫度范圍,選擇合適規(guī)格的光纖光柵傳感器,例如,對(duì)于15波段的光纖解調(diào)儀,同一測(cè)量通道的一系列光柵,所選擇的波長(zhǎng)間隔應(yīng)大于5nm,以避免測(cè)量過(guò)程中波長(zhǎng)的混疊現(xiàn)象;然后選用合適的高溫線性膠將光纖光柵粘貼到測(cè)量表面;根據(jù)封裝方式的不同,光纖光柵傳感器可以只測(cè)量該位置處的溫度值,或者也可以同時(shí)得到該位置處的溫度和應(yīng)變值。

測(cè)量時(shí),工控機(jī)4和相應(yīng)軟件平臺(tái)5控制光纖解調(diào)儀12、紅外熱像儀22和帶輸入輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡3,實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)和紅外圖像數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)同步。為了保證兩者的數(shù)據(jù)采集同步,采用外部硬件觸發(fā)的方式,例如選用NI 9041數(shù)據(jù)采集卡8通道雙向數(shù)字輸入/輸出),分別對(duì)光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀進(jìn)行外部硬件觸發(fā)。當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),軟件系統(tǒng)通過(guò)NI 9041數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送脈沖指令,對(duì)光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀進(jìn)行外部硬件觸發(fā)采集指令,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖解調(diào)儀和紅外熱像儀的數(shù)據(jù)的同步采集。

測(cè)量后,工控機(jī)中的軟件平臺(tái)5利用光纖光柵傳感器和紅外熱像儀的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)的測(cè)量,也可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合測(cè)量和大數(shù)據(jù)分析,具體的:

(1)溫度場(chǎng)精密測(cè)量:

通過(guò)接觸式測(cè)量,分布布置的光纖光柵傳感器11對(duì)一系列關(guān)鍵位置處的溫度進(jìn)行精確測(cè)量,獲得關(guān)鍵位置處的精確溫度值,紅外熱像儀21測(cè)量得到紅外表征溫度,軟件平臺(tái)5根據(jù)該精確溫度值和紅外表征溫度,計(jì)算出關(guān)鍵位置的發(fā)射率值;考慮發(fā)射率的空間相關(guān)性,對(duì)發(fā)射率進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)建模,即利用軟件平臺(tái)5估計(jì)出整個(gè)測(cè)量區(qū)域的發(fā)射率空間分布;最后根據(jù)標(biāo)定出的空間發(fā)射率值及其不確定性,實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量區(qū)域的溫度場(chǎng)補(bǔ)償和精密測(cè)量,如圖3所示。

(1.1)假設(shè)TFBG為FBG(光纖光柵)測(cè)量的表面溫度值,該位置的真實(shí)溫度T0≈TFBG,對(duì)發(fā)射率em進(jìn)行在線標(biāo)定:

式中,Tr是紅外熱像儀的指示溫度,Tu是環(huán)境溫度;當(dāng)紅外熱像儀的測(cè)量波長(zhǎng)范圍是8~12μm時(shí),n=3.9889;當(dāng)波長(zhǎng)范圍是2~5μm,n=9.2554對(duì)式(1)進(jìn)行微分,可得到發(fā)射率em的誤差。

(1.2)令em(x)表示測(cè)量位置x處的發(fā)射率值,并假設(shè)發(fā)射率具有空間相關(guān)性,且滿足二階平穩(wěn)和本征假設(shè),則未測(cè)量位置x0處的發(fā)射率em(x0),可通過(guò)下式的空間統(tǒng)計(jì)方法得出無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)值

式中,為了表達(dá)的簡(jiǎn)潔,取f是發(fā)射率的相關(guān)矩陣F中的元素,β是發(fā)射率的空間回歸系數(shù)向量,上標(biāo)*表示向量轉(zhuǎn)置,r是發(fā)射率的空間回歸函數(shù),H是方差函數(shù)的逆矩陣;式(2)中r、H和F可通過(guò)已知的測(cè)量位置x處的發(fā)射率值em(x)計(jì)算得到,而β是未知參數(shù),可通過(guò)最小二乘法或其他優(yōu)化算法計(jì)算得出。

(1.3)根據(jù)所識(shí)別的發(fā)射率空間分布樣本,實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的精密測(cè)量:

式中,表示補(bǔ)償后的精確溫度值。

(2)應(yīng)變場(chǎng)精密測(cè)量:

首先紅外熱像儀21以低采樣率(紅外熱像儀的采樣率為60Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光纖解調(diào)儀的2MHz采樣率)的方式測(cè)量得到紅外影像數(shù)據(jù),軟件平臺(tái)5利用數(shù)字圖像相關(guān)法(其為現(xiàn)有技術(shù),在此不贅述)將紅外熱像儀的紅外圖像轉(zhuǎn)換為位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng);利用分布布置的光纖光柵傳感器11以高采樣率(光纖解調(diào)儀的采樣率達(dá)2MHz,時(shí)間采樣率可達(dá)到2MHz,空間分辨率可達(dá)到數(shù)字圖像的子像素精度)方式獲得關(guān)鍵位置處的應(yīng)變值;軟件平臺(tái)5利用貝葉斯信息融合方法在時(shí)間域和空間域兩個(gè)維度上對(duì)紅外圖像的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行精度補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量區(qū)域的應(yīng)變場(chǎng)精確補(bǔ)償測(cè)量,測(cè)量精度達(dá)到子像素精度,如圖4所示。

(2.1)對(duì)于紅外熱像儀21所記錄的數(shù)字圖像,定義x(t)、y(t)為某個(gè)像素粒子在t時(shí)刻的位置,經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt,該像素粒子的位置為x(t+Δt)、y(t+Δt),則該像素粒子在x方向和y方向的速度分量u、v可按下式計(jì)算:

此時(shí),紅外熱像儀21所獲得的應(yīng)變場(chǎng)εIR為:

式中,為偏微分處理。

(2.2)假設(shè)εFBG為光纖光柵測(cè)量應(yīng)變值,εIR為式(5)從紅外數(shù)字圖像中所計(jì)算的應(yīng)變值,建立貝葉斯信息融合模型:

ε=εFBG+hFBG,ε=εIR+hIR (6)

式中,hFBG和hIR分別反映了光纖光柵和紅外技術(shù)所測(cè)量的應(yīng)變值誤差,假設(shè)它們都服從均值為零的高斯噪聲,即,以及其中N(,)表示正態(tài)分布。

當(dāng)測(cè)量值εFBG或εIR已知時(shí),則ε的后驗(yàn)概率密度函數(shù)建模為:

(2.3)給定測(cè)量值εFBG或εIR的情況下,使用概率模型(7),對(duì)ε進(jìn)行極大似然估計(jì),得到補(bǔ)償后應(yīng)變場(chǎng)值

式中,p(ε|εFBGIR)表示已知測(cè)量值εFBG或εIR情況下的ε的條件概率,可通過(guò)全概公式推導(dǎo)得出。

優(yōu)選地,可選用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)代替數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字圖像采集卡,將軟件平臺(tái)中的數(shù)據(jù)處理算法硬件化,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性。

(3)振動(dòng)精密測(cè)量:

分布布置的光纖光柵傳感器11以高采樣率(達(dá)到光纖解調(diào)儀的2MHz采樣率)的方式獲得關(guān)鍵位置處的應(yīng)變值;軟件平臺(tái)5對(duì)應(yīng)變時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析(其為現(xiàn)有技術(shù),在此不贅述),得到應(yīng)變振動(dòng)信號(hào);軟件平臺(tái)5構(gòu)造整個(gè)測(cè)量區(qū)域的三維振動(dòng)場(chǎng)。

(4)多場(chǎng)耦合測(cè)量和大數(shù)據(jù)分析:

本發(fā)明將溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和振動(dòng)等多物理場(chǎng)實(shí)時(shí)構(gòu)建在一起,軟件平臺(tái)5能夠?qū)@三個(gè)物理場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行分析;通過(guò)大數(shù)據(jù)分析,軟件系統(tǒng)可將加工參數(shù)和本發(fā)明所測(cè)量的多物理場(chǎng)建立映射關(guān)系,從而從大數(shù)據(jù)的角度揭示切削加工機(jī)理。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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