一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器和光纤解调仪，光纤光栅传感器粘贴至待测工件上，光纤解调仪与控制处理单元相连；红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪和数字图像采集卡，数字图像采集卡与所述控制处理单元相连；数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡，其输出端与光纤解调仪和红外热像仪相连，其输入端与所述控制处理单元相连；控制处理单元包括工控机和软件平台。本发明专利技术可实现加工过程中切削区域附近多种物理场的精密测量，有助于切削机理的研究。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统
本专利技术属于精密测量
，更具体地，涉及一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场(温度场/应变场/振动)同步精密测量系统。
技术介绍
切削加工过程中伴随着复杂的力热耦合现象，精确地测量加工过程中的温度场、应变场、振动(尤其是监测切削过程中的颤振现象)，对于加工过程的机理研究具有重要作用。现有的加工温度测量方法主要包括热电偶法、红外热辐射法、具有已知熔点的细粉末涂层法、热敏涂料法等；而现有的应变测量技术包括莫尔条纹，热弹性应力分析，激光散斑干涉，以及数字图像相关等方法。上述现有的测量方法存在以下问题：1)大部分方法只能对切削过程中的平均温度或有限点位置处的温度进行测量，而且尽管许多研究人员已使用红外热像仪法对整个切削过程中的温度场进行测量，但实际测量过程中，红外热像仪的测量精度低，尤其是对于金属材料的加工温度场的测量，金属的高反射率导致红外发射率很低，并且发射率随着温度变化而不同，使得红外切削温度场测量误差大；2)作为通用的应变场测量方法—数字图像相关法，其高温热辐射对传统高速数码相机的成像产生干扰，而且数字图像相关法所得到的是位移场，当将其转化为应变场时，测量噪声不可避免地被放大；3)虽然从切削机理上看，切削过程中的温度场、应变场、振动是一个耦合且不断相互转换的物理场过程，但是目前没有资料显示，有人员从测量的角度对这三个场进行同时进行测量。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场(温度场、应变场、振动)测量系统，其利用光纤光栅和红外技术构建一个双传感器系统，结合这两类传感器的技术优势，对切削加工过程中温度场、应变场和振动进行同步精密测量，实现加工过程中切削区域附近多种物理场的精密测量，从而有助于切削机理的研究。为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，该系统包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中：所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器和光纤解调仪，所述光纤光栅传感器用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据，其粘贴至待测工件上，所述光纤解调仪与所述控制处理单元相连；所述红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪和数字图像采集卡，所述红外热像仪用于获得切削加工过程中的红外成像数据，所述数字图像采集卡与所述控制处理单元相连；所述数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡，其输出端分别与光纤解调仪和红外热像仪相连，其输入端与所述控制处理单元相连；所述控制处理单元用于实现温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据的同步获取，并根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量。作为进一步优选的，所述光纤光栅传感器的采样率为2MHz，其光栅在布点上的空间分辨率小于0.2mm。作为进一步优选的，所述根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量包括温度场测量、应变场测量和振动测量。作为进一步优选的，所述温度场测量测量具体为：通过分布布置的光纤光栅传感器获得待测位置处的温度值，通过红外热像仪测量获得待测位置处的红外表征温度，根据所述温度值和红外表征温度计算出待测位置处的发射率；对所述发射率进行空间统计建模，获得发射率空间统计模型；根据发射率空间统计模型实现温度场的测量。作为进一步优选的，所述应变场测量具体为：根据所述红外热像仪(21)测量的红外数字图像获得应变值，根据所述光纤光栅传感器(11)获得待测位置处的应变值；根据红外数字图像获得应变值以及光纤光栅传感器(11)获得应变值建立贝叶斯信息融合模型，并获得后验概率密度函数模型；根据所述贝叶斯信息融合模型和后验概率密度函数模型获得补偿后应变场值，以实现整个测量区域的应变场精确补偿测量。作为进一步优选的，所述振动测量具体为：利用分布布置的光纤光栅传感器以高采样率获得待测位置处的应变数据；对应变数据进行变化，得到应变振动信号；根据应变振动信号构建整个测量区域的三维振动场。作为进一步优选的，所述高采样率具体为2MHz。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术通过研究设计包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元的多物理场测量系统，以利用光纤光栅和红外技术构建一个双传感器系统，实现切削加工过程中温度场、应变场和振动等多种物理场的同步精密测量，具有结构简单、测试精度高、测试方便等优点。2.本专利技术利用光纤光栅传感器的分布式精确温度数据，红外热像仪的红外表征温度场，通过算法补偿，可实现多种加工过程中切削区域附近的温度场精确测量，例如车削、铣削、刨削、磨削等不同的加工过程。3.本专利技术利用光纤光栅传感器的分布式精确应变数据，红外热像仪的红外图像，可从时间域和空间域上对红外图像的应变场进行补偿，实现整个测量区域的应变场精密测量。4.本专利技术利用光纤光栅传感器高频应变信号，经转换后获得应变振动数据，并根据其分布式测量的特点，可构造出三维振动场模型。5.本专利技术实时测量获得的温度场、应变场和振动等多物理场，通过大数据分析，可将物理场与加工数据建立映射关系，将更好地揭示切削加工机理。6.本专利技术不局限于加工的应用场景，类似的温度场、应变场和振动测量，本专利技术都具有精确测量的潜在能力。附图说明图1是本专利技术多物理场测量系统的结构示意图；图2是本专利技术光纤光栅传感器的布置示意图；图3是本专利技术温度场精密测量的原理图；图4是本专利技术应变场精密测量的原理图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术实施例提供的基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其主要包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中，光纤光栅传感单元用于实现温度、应变、振动等多个参数以及不同测量位置的多参数分布式测量，红外热像仪传感单元用于实现加工过程中红外图像数据的采集，数据采集单元具有多通道的输入输出数字信号功能，用于实现不同来源信号的同步采集，控制处理单元用于实现对整个测量系统的控制以及数据处理，包括不同来源信号的软件/硬件同步，数据的记录和回放，不同来源信号的数据处理，实现温度场、应变场和振动的精密测量。通过本专利技术上述各个单元的相互配合，可实现温度场、应变场和振动的精确测量，通过实时测量可对切削过程中三个物理场的变化规律进行分析，并且通过将本专利技术所测量的这三个物理场与切削参数之间建立映射关系，从而实现从大数据的角度揭示切削加工机理。如图1所示，光纤光栅传感单元包括光纤光栅传感器11和光纤解调仪12，其中，光纤光栅传感器11用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据(即用于获得切削测量对象的温度、应变、振动响应信号)，所述光纤解调仪12用于将光纤光栅传感器11获得的响应信号解析成数字信号送本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其特征在于，该系统包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中：所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器(11)和光纤解调仪(12)，所述光纤光栅传感器(11)用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据，其粘贴至待测工件(7)上，所述光纤解调仪(12)与所述控制处理单元相连；所述红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪(21)和数字图像采集卡(22)，所述红外热像仪(21)用于获得切削加工过程中的红外成像数据，所述数字图像采集卡(22)与所述控制处理单元相连；所述数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡(3)，其输出端分别与光纤解调仪(12)和红外热像仪(21)相连，其输入端与所述控制处理单元相连；所述控制处理单元用于实现温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据的同步获取，并根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其特征在于，该系统包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中：所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器(11)和光纤解调仪(12)，所述光纤光栅传感器(11)用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据，其粘贴至待测工件(7)上，所述光纤解调仪(12)与所述控制处理单元相连；所述红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪(21)和数字图像采集卡(22)，所述红外热像仪(21)用于获得切削加工过程中的红外成像数据，所述数字图像采集卡(22)与所述控制处理单元相连；所述数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡(3)，其输出端分别与光纤解调仪(12)和红外热像仪(21)相连，其输入端与所述控制处理单元相连；所述控制处理单元用于实现温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据的同步获取，并根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量。2.如权利要求1所述的基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(11)的采样率为2MHz，其光栅在布点上的空间分辨率小于0.2mm。3.如权利要求2所述的基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其特征在于，所述根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量包...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文玉，张彦辉，何少杰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42