一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置，属于光纤形状传感测量技术领域。本发明专利技术根据多芯光纤形状改变前后光纤光栅布拉格中心波长，计算光纤光栅的最大应变和光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度，对多芯光纤进行曲率和扭转角度插值，利用三维重构算法进行三维形状重构后在计算机进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。所述测量装置包括计算机、光纤光栅传感分析仪和多芯光纤扇入扇出模块，本发明专利技术采用全光纤结构结合光纤光栅测量应变，通过改变相邻两个光纤光栅的距离和数量，可以提高测量精度，采用的多芯光纤，消除了安装误差，有利于后期维护和换装，可靠性更高。

A Method and Device for Measuring Three-Dimensional Shape Sensor Based on Multi-Core Optical Fiber

The invention discloses a three-dimensional shape sensing measurement method and device based on multi-core optical fiber, which belongs to the technical field of optical fiber shape sensing measurement. The invention calculates the maximum strain of the fiber grating and the curvature and torsion angle of the cross section of the fiber grating according to the Bragg central wavelength of the fiber grating before and after the shape change of the multi-core fiber, interpolates the curvature and torsion angle of the multi-core fiber, displays the three-dimensional shape reconstruction using the three-dimensional reconstruction algorithm and realizes the three-dimensional shape sensing measurement of the multi-core fiber grating. \u3002 The measuring device includes a computer, a fiber Bragg grating sensor analyzer and a multi-core fiber fan-in and fan-out module. The method adopts an all-fiber structure combined with a fiber Bragg grating to measure strain. By changing the distance and number of two adjacent fiber Bragg gratings, the measuring accuracy can be improved. The multi-core fiber can eliminate the installation error, and is conducive to later maintenance and replacement with higher reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置
本专利技术属于光纤形状传感测量方法及系统
，具体涉及一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置。
技术介绍
三维形状传感测量是对灵活的可弯曲物体的形状测量，在航空航天、医疗器械、石油勘探、机器人搜救等领域具有巨大的发展潜力。由于测量仪器的结构化与检测原理的分离性等原因，传统的方法利用激光扫描、机器视觉等非接触式光学检测技术进行三维形状传感测量在一些场合难以实施，例如在有电磁干扰或易燃易炸的恶劣环境中，基于电信号测量的三维形状传感器受到很大的限制，甚至无法工作；在机器人搜救时，大型的仪器设备无法快速运至事故现场；在航空航天领域，沉重的仪器无法对飞机或者航天器进行非接触式检测。这就需要采用接触式的应变测量方法，传统的电阻应变片引线多、重量大、抗电磁干扰能力差，而利用光纤光栅进行多点应变测量，布线简单、疲劳寿命长、抗电磁干扰、可以实现复合材料内部埋植，具有无可替代的优势。一根单芯光纤光栅只能进行应变的测量，是不能测出三维形状的，只能通过采集多个应变值计算出曲率，进而重构出二维形状。但是，多根光纤光栅通过组合测量，可以测量同一个位置的多个应变值，进而重构出三维形状。2014年，沈林勇等将4根FBG(光纤光栅)传感阵列分别安放在基材上相互呈90°角的位置，每一个空间点由相互垂直的两个方向的两根FBG阵列测量，实现了光纤形状传感(参见参考文献：沈林勇，肖海，钱晋武等，智能内窥镜的形状重建和可视化方法研究[J].仪器仪表学报，2014(12):2725-2730)。但是这种方法在传感器安装和布置时很复杂，而且会产生安装误差。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，方便可靠地实现高精度三维形状传感测量，本专利技术提出一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置。本专利技术首先提出一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，所述方法具体包括步骤：步骤一、通过光纤光栅传感分析仪分别测得多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长；所述多芯光纤中包括至少三根纤芯，每根纤芯上包括至少两个以上的光纤光栅。步骤二、根据所测得的多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长，计算多芯光纤每根纤芯中光纤光栅的最大应变；步骤三、计算光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度；步骤四、利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率和扭转角度插值，求得多芯光纤中相邻两个光纤光栅横截面之间多个测量位置的曲率和扭转角度；步骤五、利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；步骤六、将重构的多芯光纤在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。本专利技术还提供一种基于多芯光纤的三维形状传感测量装置，所述装置包括：计算机、光纤光栅传感分析仪、多芯光纤扇入扇出模块以及多芯光纤，光纤光栅传感分析仪发出的探测光经过多芯光纤扇入扇出模块进入到多芯光纤，探测光被光纤光栅反射形成窄带光，窄带光再通过多芯光纤扇入扇出模块返回到光纤光栅传感分析仪中，光纤光栅传感分析仪通过对窄带光的解调，求出多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中每段光纤光栅布拉格中心波长，并发送给计算机；然后在计算机中计算多芯光纤中光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度；相邻的两个光纤光栅横截面之间利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率插值和扭转角度插值，求得多芯光纤中每根纤芯上多个测量位置的曲率和扭转角度；利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；将重构的多芯光纤三维形状在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。本专利技术的优点和积极效果在于：1、本专利技术采用的多芯光纤可以根据实际情况选取三芯、四芯、七芯等，而且多芯光纤在一根纤芯内部就可以具有多个光纤光栅，不需要进行多根光纤的安装和拼接，消除了安装误差，有利于后期维护和换装，可靠性更高。2、本专利技术采用光纤光栅测量应变，可以根据实际需要，通过改变相邻两个光纤光栅的距离来提高测量精度，通过改变光纤光栅的数量进而改变传感距离，光纤光栅的反射信号比现有技术中瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射返回的信号更强。3、本专利技术采用光纤光栅传感分析仪，测量原理简单，没有复杂的解调系统和结构及特制的器件，因而成本相对较低，且能够获得较高的分辨率。4、本专利技术的传感部分是全光纤结构，抗电磁干扰、抗疲劳寿命长、布线简单、可以实现复合材料内部埋植。5、本专利技术在相邻两个光纤光栅之间进行曲率插值和扭转角度插值，将离散的曲率数据和扭转角度连续化，提高了三维形状的拟合精度。6、本专利技术最后对测试数据进行差分处理，同一根多芯光纤，将光纤布置为直线(无弯曲)时，测出光纤光栅布拉格中心波长作为基底，再将光纤摆成一定的三维形状，测出形状改变后的光纤光栅布拉格中心波长，将这个光纤光栅布拉格中心波长与基底做差分，就能得到光纤光栅布拉格中心波长改变量，从而减小光源波动、温度波动、光纤制造误差等影响，提高稳定性和测量精度。利用光纤光栅传感分析仪测量应变，相比于现有技术中光时域反射仪和光频域反射仪等分布式测量系统，体积更小，结构简单，测量简便，成本更低，更具有实用价值。附图说明图1是本专利技术提供的三维形状传感测量方法流程图；图2是本专利技术提供的三芯光纤形状改变前结构示意图；图3是本专利技术提供的三芯光纤形状改变后结构示意图；图4是本专利技术提供的三芯光纤中光纤光栅横截面示意图；图5是本专利技术中三维形状重构方法示意图；图6是本专利技术提供的基于多芯光纤的三维形状传感测量装置的结构示意图；图7是本专利技术实施例三芯光纤处于圆柱螺旋线状态示意图；图8是本专利技术实施例三芯光纤的三维形状重构图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。本专利技术提供一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置，当多芯光纤的形状发生改变时，多芯光纤的内部会产生弯曲，即多芯光纤中性轴的一侧会被拉伸，即受到拉应力，另一侧会被压缩，即受到压应力，因此位于中性轴两侧的光纤光栅(FBG)会受到拉伸或压缩，受到拉伸或压缩的光纤光栅的栅距会相应的增大或减小，即光纤光栅的光栅周期会减小或增大，光纤光栅反射回的光纤光栅布拉格中心波长会减小或增大，通过光纤光栅传感分析仪测出多芯光纤形状改变前后光纤光栅布拉格中心波长。而光纤光栅受到的应变正比于光纤光栅反射的光纤光栅布拉格中心波长的改变量，当每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长被检测出来时，多芯光纤每根纤芯中的光纤光栅受到的应变就可以基于测量的光纤光栅布拉格中心波长算出，进而计算出光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度。利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率插值和扭转角度插值，求得多芯光纤中相邻两个光纤光栅横截面之间多个测量位置的曲率和扭转角度；利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；将重构的多芯光纤在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。多芯光纤相对于多根单芯光纤粘合的形状传感器具有更好的数据稳定性和准确性，也不依赖于被测结构，使用更加灵活方便，成为更具潜力的三维形状测量手段。以多芯光纤中的三芯光纤为例，所述三芯光纤形状改变前结构示意图如图2所示，三个纤芯上分别具有光纤光栅1、光纤光栅2和光纤光栅3，当所述三芯光纤的形状改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，所述方法具体包括步骤：步骤一、通过光纤光栅传感分析仪分别测得多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长；步骤二、根据所测得的多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长，计算多芯光纤每根纤芯中光纤光栅的最大应变；步骤三、计算光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度；步骤四、利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率插值和扭转角度插值，求得多芯光纤相邻两个光纤光栅横截面之间多个测量位置的曲率和扭转角度；步骤五、利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；步骤六、将重构的多芯光纤在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，所述方法具体包括步骤：步骤一、通过光纤光栅传感分析仪分别测得多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长；步骤二、根据所测得的多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长，计算多芯光纤每根纤芯中光纤光栅的最大应变；步骤三、计算光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度；步骤四、利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率插值和扭转角度插值，求得多芯光纤相邻两个光纤光栅横截面之间多个测量位置的曲率和扭转角度；步骤五、利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；步骤六、将重构的多芯光纤在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。2.如权利要求1所述的基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，所述多芯光纤中包括至少三根纤芯，每根纤芯包括至少两个以上的光纤光栅。3.如权利要求1所述的基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，步骤三具体计算过程为：以应变后的三芯光纤为例，每个纤芯中有三个光纤光栅，在三芯光纤上截取一个光纤光栅横截面，每个光纤光栅由于形状改变会产生应变，结合每根纤芯中光纤光栅所产生的应变以及每根纤芯到光纤光栅横截面几何中心的距离r计算出光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度，所述光纤光栅横截面所在位置有以下方程组成立：式中，ε1、ε2和ε3分别为三个纤芯中光纤光栅所产生的应变，θ1为光纤光栅横截面的扭转角度；令ε是光纤光栅横截面的最大应变，ε0是三芯光纤的轴向应变，设纤芯1、纤芯2和纤芯3所在位置分别点A、B、C，光纤光栅横截面的几何中心为点O，则定义AO和BO的夹角Δθ12为纤芯1和纤芯2之间的夹角，BO和CO的夹角Δθ23为纤芯2和纤芯3之间的夹角，Δθ12＝Δθ23＝120°；三芯光纤在形状改变时若只受弯曲影响，三芯光纤的轴向应变ε0＝0，光纤光栅横截面所产生的最大应变ε与曲率k的关系为：ε＝-k·r式中，纤芯1、纤芯2和纤芯3到光纤光栅横截面几何中心O的距离均为r；因此对于三个纤芯分别有以下方程成立：ε1＝-k·rsin(θ1)ε2＝-k·rsin(θ1+Δθ12)ε3＝-k·rsin(θ1+Δθ12+Δθ23)根据三个方程中任意两个方程求解三个纤芯上光纤光栅的曲率和扭转角度，并计算平均值，作为当前光纤光栅横截面的曲率和扭转角度；同理，对三芯光纤中其他位置光纤光栅横截面均按照以上方法进行计算，得到三芯光纤中所有光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度。4.如权利要求1所述的基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，步骤四采...

【专利技术属性】
技术研发人员：金靖，朱云鸿，张浩石，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11