本申請(qǐng)要求2016年10月31日提交的，申請(qǐng)?zhí)朇N2016109313956的中國(guó)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，特別涉及一種基于啁啾光纖光柵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。基于非視覺(jué)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(guò)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(zhǎng)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靈敏度低，檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)光譜解調(diào)混疊，波長(zhǎng)漂移量過(guò)大的問(wèn)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啁啾光纖光柵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啁啾光纖光柵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)桿上布置三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵，其中所述長(zhǎng)啁啾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，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵≤20個(gè)；

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

c、將布置有所述三根長(zhǎng)啁啾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(guò)光開(kāi)關(guān)送至光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)為波長(zhǎng)信號(hào)；

e、將所述波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵選用5-7個(gè)。

優(yōu)選地，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵均勻分布。

優(yōu)選地，所述柔性檢測(cè)桿的曲率與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)之間的比例系數(shù)通過(guò)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)下的曲率半徑，以及對(duì)應(yīng)該狀態(tài)下所述每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的中心波長(zhǎng)；

b2、將步驟b1中得到曲率半徑和所述中心波長(zhǎng)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到柔性檢測(cè)桿的曲率與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)之間的比例系數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟e中通過(guò)柔性檢測(cè)桿的曲率與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)之間的比例系數(shù)將所述波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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(guò)將三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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(guò)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)明提供的基于啁啾光纖光柵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)長(zhǎng)啁啾光纖光柵，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)明采用三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵等間距陣列于柔性檢測(cè)桿表面，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵≤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(zhǎng)漂移量過(guò)大的問(wèn)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(shuō)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(shuō)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(guò)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示出了長(zhǎng)啁啾光纖光柵波長(zhǎng)漂移示意圖；

圖3示出了本發(fā)明基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測(cè)流程框圖；

圖4示出了本發(fā)明柔性檢測(cè)桿的曲率ρ與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)λ的關(guān)系示意圖；

圖5示出了本發(fā)明三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的分布以及檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖；

圖6示出了本發(fā)明檢測(cè)桿曲率計(jì)算示意圖；

圖7示出了本發(fā)明三維空間曲線繪制過(guò)程示意圖；

圖8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9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(guò)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(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)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)明基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測(cè)方法進(jìn)行說(shuō)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(shuō)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)100包括寬帶光源103、光纖光柵耦合器104、光開(kāi)關(guān)105、光纖光柵解調(diào)儀102、顯示器101以及長(zhǎng)啁啾光纖光柵陣列106，其中長(zhǎng)啁啾光纖光柵陣列包括三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵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)，將三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵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(kāi)關(guān)105進(jìn)入長(zhǎng)啁啾光纖光柵陣列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(guò)光開(kāi)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(kāi)關(guān)選用1×4的光開(kāi)關(guān)。

為了更加清楚的對(duì)本發(fā)明就行說(shuō)明，對(duì)啁啾光纖光柵的傳感過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示長(zhǎng)啁啾光纖光柵波長(zhǎng)漂移示意圖，長(zhǎng)啁啾光纖光柵在正常情況下，波長(zhǎng)不產(chǎn)生漂移，波譜B穩(wěn)定。當(dāng)啁啾光纖光柵的啁啾光柵A在收到外力作用時(shí)，光柵柵格產(chǎn)生變化引起波長(zhǎng)漂移，從而引起波譜C變化。本發(fā)明選用長(zhǎng)啁啾光纖光柵增減檢測(cè)靈敏度，使重構(gòu)的三維空間曲線更加接近被測(cè)物體的空間形狀。

下面通過(guò)本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)檢測(cè)方法進(jìn)行說(shuō)明，為了更加清楚簡(jiǎn)潔的說(shuō)明本發(fā)明，實(shí)施例中將三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵分別表為光纖a、光纖b和光纖c，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵上有6個(gè)光柵作為檢測(cè)點(diǎn)。如圖3所示本發(fā)明基于啁啾光纖光柵的柔性材料空間形狀的檢測(cè)流程框圖，具體地，本發(fā)明提供的基于啁啾光纖光柵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)桿上布置長(zhǎng)啁啾三根光纖光柵，其中所述長(zhǎng)啁啾光纖光柵等間距陣列于柔性檢測(cè)桿表面，使相鄰長(zhǎng)啁啾光纖光柵在柔性檢測(cè)桿縱截面的夾角成120度，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵≤20個(gè)。

步驟S102、確定柔性檢測(cè)桿的曲率與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)之間的比例系數(shù)。柔性檢測(cè)桿的曲率與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)之間的比例系數(shù)K通過(guò)圓弧樣條曲線標(biāo)定方法確定，具體過(guò)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)下所述每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的中心波長(zhǎng)λ。

(2)將得到的柔性檢測(cè)桿的曲率ρ和對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)啁啾光纖光柵的中心波長(zhǎng)λ通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到柔性檢測(cè)桿的曲率ρ與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)λ之間的比例系數(shù)K，其中K＝λ×ρ。如圖4所示為柔性檢測(cè)桿的曲率ρ與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)λ的關(guān)系示意圖。

步驟S103、將布置有所述三根長(zhǎng)啁啾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(guò)光開(kāi)關(guān)送至光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)為波長(zhǎng)信號(hào)。

步驟S105、將所述波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率，并由所述三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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(guò)柔性檢測(cè)桿的曲率與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)之間的比例系數(shù)將所述波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率。

(2)柔性檢測(cè)桿的曲率通過(guò)將三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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5所示本發(fā)明三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的分布以及檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖，圖6所示本發(fā)明檢測(cè)桿曲率計(jì)算示意圖，波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖a、光纖b和光纖c三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(cè)點(diǎn)的曲率，由柔性檢測(cè)桿201的曲率ρ與每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵點(diǎn)波長(zhǎng)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。

將三根長(zhǎng)啁啾光纖光柵檢測(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(guò)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(shuō)明，如圖7所示本發(fā)明三維空間曲線繪制過(guò)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8所示實(shí)施例中被檢測(cè)柔性材料形狀，圖9所示重構(gòu)的柔性材料形狀。

本實(shí)施例在檢測(cè)開(kāi)始前，將檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)啁啾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)長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵為檢測(cè)點(diǎn)，每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵均勻分布，本發(fā)明實(shí)施例中選用長(zhǎng)啁啾光纖光柵有效增加采集應(yīng)變的靈敏性，并且每根長(zhǎng)啁啾光纖光柵的光柵為6個(gè)，從而保證在被測(cè)物應(yīng)變過(guò)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，每根長(zhǎng)啁啾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)系由長(zhǎng)啁啾光纖光柵陣列、光纖光柵解調(diào)儀、光開(kāi)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(jiǎn)單，無(wú)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(shuō)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(shuō)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。