CN104237561A - 基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量技术，将柔性空间坐标检测杆附在待测机械构件上，在机械构件运动时，柔性空间坐标检测杆上的光纤光栅测量出应变信息，通过光纤光栅解调仪解调成数字波长信息输入到计算机中，计算机中首先将数字波长信息将转换为曲率信息，并由曲率信息递推出空间坐标信息，再通过数值差分计算出加速度，最后将加速度进行实时显示。与现有技术相比，本发明具有测量精度高、实时性好、适用范围广等优点。

Description

基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种空间加速度测量技术，尤其是涉及一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法和装置。

背景技术

空间加速度的测量对工程机械的精确有效控制有十分重要的意义，但目前还没有基于曲率测量的能实现全场空间加速度实时测量的***。现有的基于光纤光栅的加速度传感器只能实现单点测量，其设计思路主要是设计带有质量块的传感头，质量块在振动时产生惯性力，在惯性力作用下传感头结构会产生相应的应变，通过光纤光栅等敏感元件测量出相应应变，再通过结构的应力应变关系就可以求出惯性力，进而求得加速度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法，包括以下步骤：

1)通过圆弧样条曲线标定处理，确定柔性空间坐标检测杆上各个检测点的应变信号与柔性空间坐标检测杆的曲线曲率间的比例系数K；

2)将柔性空间坐标检测杆紧贴于待检测的机械构件上，由各个检测点的光纤光栅根据柔性空间坐标检测杆的弯曲度，获取应变信号：

3)各个检测点的应变信号经对应的光纤光栅解调仪器转换成数字波长信号，由计算机实时采集：

4)计算机根据实时采集的数字波长信号信号，进行圆弧样条曲线标定处理，得到波长信号变化值和柔性空间坐标检测杆曲率值之间的对应关系，并根据此关系计算出柔性空间坐标检测杆上各个检测点处的曲率；

5)计算机根据柔性空间坐标检测杆上多个检测点的曲率信息，递推出柔性空间坐标检测杆上各检测点的空间坐标信息；

6)计算机处理由柔性空间坐标检测杆的空间坐标信息，将空间坐标信息中X、Y、Z三个方向的坐标对时间进行向后二次数值差分计算，得到X、Y、Z三个方向的加速度。

步骤1)中的圆弧样条曲线标定处理具体过程为：对于每个检测点的光纤光栅，先测出柔性空间坐标检测杆在若干个已知曲率半径ρ下的光纤光栅的中心波长λ，根据公式K=λ×ρ求出每个曲率半径ρ下的比例系数，然后取其平均值作为下一测量点的光纤光栅的比例系数K。

步骤6)中采用向后二次数值差分计算后，则有第i点t时刻的加速度为：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{itx}}=\frac{X_i\left(t\right)-2\·X_i(t-\mathrm{\Δt})+X_i(t-2\·\mathrm{\Δt})}{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2}\\ A_{\mathrm{ity}}=\frac{Y_i\left(t\right)-2\·Y_i(t-\mathrm{\Δt})+Y_i(t-2\·\mathrm{\Δt})}{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2}\\ A_{\mathrm{itz}}=\frac{Z_i\left(t\right)-2\·Z_i(t-\mathrm{\Δt})+Z_i(t-2\·\mathrm{\Δt})}{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2}\end{array}\right\}$

式中，Aitx、Aity、Aitz分别为第i点t时刻在空间笛卡尔坐标系中x、y、z方向的加速度，Xi(t)、Yi(t)、Zi(t)分别为第i点t时刻在空间笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标。

一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量装置，包括：

柔性空间坐标检测杆：依附于待检测的机械构件，并紧贴该机械构件的外壁，柔性空间坐标检测杆内部沿轴向设有多个检测点，每个检测点设置光纤光栅用于获取应变信号；

光纤光栅解调仪：由检测点获取应变信号，将多个离散的检测点的应变信号转换成数字波长信号；

计算机：由光纤光栅解调仪获取数字波长信号，获得每个检测点处的加速度。

多个检测点沿柔性空间坐标检测杆轴向均匀布置，每个检测点均包含分别两组的4根光纤光栅，4根光纤光栅沿沿柔性空间坐标检测杆的圆形横截面均匀分布。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.由于整个加速度测量***主要由光纤光栅传感网络、光纤光栅解调仪器和计算机组成，不需要额外的辅助设备，所以整个***的组成简单，不易受电磁波等外界因素的影响。

2.由于本空间加速度测量***是在柔性空间坐标检测杆上布置多个曲率检测光纤光栅，对多点的曲率检测是以并行方式同时进行的，因此整个空间加速度测量***可以实现全场实时测量，这种测量技术适用于多刚体机械臂以及柔性细长机械构件的加速度测量，并且能够达到很高的实时响应性。

3.光纤光栅传感方式具有尺寸小，测量范围大的优点，可以根据工程机械的要求设计出合适的柔性空间坐标检测杆来进行测量。

4.本发明基于光纤光栅的空间加速度测量***组成简单，测量方法简便，非专业人员也可以很快熟悉操作方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2柔性空间坐标检测杆的光纤光栅传感器布置示意图；

图3为柔性空间坐标检测杆的局部放大图；

图4为基于离散点曲率信息的重建原理图；

图5-图7为递推柔性空间坐标检测杆上各检测点的空间坐标信息的的分解图；

图中，1为计算机、2为光纤光栅解调仪、3为柔性空间坐标检测杆、4为待测的机械构件、5为每个检测点上的光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供了一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，通过圆弧样条曲线标定处理，确定柔性空间坐标检测杆上各个检测点的应变信号与柔性空间坐标检测杆的曲线曲率间的比例系数K。其中，圆弧样条曲线标定处理具体过程为：对于每个检测点的光纤光栅，先测出柔性空间坐标检测杆在若干个已知曲率半径ρ下的光纤光栅的中心波长λ，根据公式K=λ×ρ求出每个曲率半径ρ下的比例系数，然后取其平均值作为下一测量点的光纤光栅的比例系数K。

步骤二，将柔性空间坐标检测杆紧贴于待检测的机械构件上，由各个检测点的光纤光栅根据柔性空间坐标检测杆的弯曲度，获取应变信号。

步骤三，各个检测点的应变信号经对应的光纤光栅解调仪器转换成数字波长信号，由计算机实时采集。

步骤四，计算机根据实时采集的数字波长信号信号，进行圆弧样条曲线标定处理，得到波长信号变化值和柔性空间坐标检测杆曲率值之间的对应关系，并根据此关系计算出柔性空间坐标检测杆上各个检测点处的曲率。

步骤五，计算机根据柔性空间坐标检测杆上多个检测点的曲率信息，递推出柔性空间坐标检测杆上各检测点的空间坐标信息。该步骤中，具体递推方法如下，结合图4对其进行具体说明：

1、在坐标系{B_i}中对进行两个曲率分量进行矢量合成，合成的曲率矢量k_i，大小为：

$\left|k_i\right|=\sqrt{{k_{\mathrm{ai}}}^2+{k_{\mathrm{bi}}}^2}$

如图5所示，虚线所在表示的平面为点i的密切平面，图中κ_i为两个正交平面曲率矢量合成的点i的空间曲率，其方向即为点i的法线方向。

k_i与k_ai的夹角α_i为：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{c}{\tan }^{-1}(k_{\mathrm{bi}}/k_{\mathrm{ai}})+\mathrm{\&pi;}(k_{\mathrm{ai}}<0)\\ -\mathrm{\&pi;}/2(k_{\mathrm{ai}}=0,k_{\mathrm{bi}}<0)\\ 0(k_{\mathrm{ai}}=0,k_{\mathrm{bi}}=0)\\ \mathrm{\&pi;}/2(k_{\mathrm{ai}}=0,k_{\mathrm{bi}}>0)\\ {\tan }^{-1}(k_{\mathrm{bi}}/k_{\mathrm{ai}})(k_{\mathrm{ai}}>0)\end{array}\right.$

具体如图6所示。

2、采用线性插值从离散曲率获得连续曲率；

3、建立一下检测点的的坐标系{B_i+1}；

4、在运动坐标系{B_i+1}中递推坐标：

运动坐标系中坐标递推图解图中中所示的几何关系就可以在点i的运动坐标系中计算点i+1相对于点i的坐标增量(dx_i，dy_i，dz_i)，(dx_i，dy_i，dz_i)可以根据κ_i矢量的大小是否为零。因为运动坐标系是以点i为原点的，所以点i在点i的运动坐标系中的坐标为(0，0，0)，因此根据上面的结论，点i+1在点i的运动坐标系中的坐标为(0+dx_i，0+dy_i，0+dz_i)=(dx_i，dy_i，dz_i)。因为要满足点i+1与点i之间的弧段在一个平面内且为圆弧就必须满足点i+1与点i之间的曲线段十分微小，所以每一个运动坐标系只确定相邻下一点的坐标。即点i的运动坐标系只确定点i+1的坐标，点i+1的运动坐标系只确定点i+2的坐标，以此类推就可以递推计算出曲线上各点在空间笛卡尔坐标系中的坐标。

5、坐标系{B_i+1}转换至笛卡尔坐标，如图7所示；

[I+1]=[D_i][I]运动坐标系就从i点的运动坐标系变换为i+1点的运动坐标系，[D_i]是齐次坐标系转换矩阵。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}\\ y_{i+1}\\ z_{i+1}\\ 1\end{array}\right\}={\left[\mathrm{DI}\right]}^{-1}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_i\\ {\mathrm{dy}}_i\\ {\mathrm{dz}}_i\\ 1\end{array}\right\}$

上式即实现了基材变形后中心线上各点坐标在空间笛卡尔坐标系中的递推。

步骤六，计算机处理由柔性空间坐标检测杆的空间坐标信息，将空间坐标信息中X、Y、Z三个方向的坐标对时间进行向后二次数值差分计算，得到第i点t时刻的加速度：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{itx}}=\frac{X_i\left(t\right)-2\&CenterDot;X_i(t-\mathrm{\&Delta;t})+X_i(t-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2}\\ A_{\mathrm{ity}}=\frac{Y_i\left(t\right)-2\&CenterDot;Y_i(t-\mathrm{\&Delta;t})+Y_i(t-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2}\\ A_{\mathrm{itz}}=\frac{Z_i\left(t\right)-2\&CenterDot;Z_i(t-\mathrm{\&Delta;t})+Z_i(t-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2}\end{array}\right\}$

式中，Aitx、Aity、Aitz分别为第i点t时刻在空间笛卡尔坐标系中x、y、z方向的加速度，Xi(t)、Yi(t)、Zi(t)分别为第i点t时刻在空间笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标。

由此可以获取X、Y、Z三个方向的加速度。

上述方法可以采用如图1～3所示测量装置实现，该装置包括柔性空间坐标检测杆3、光纤光栅解调仪2、计算机3。其中，柔性空间坐标检测杆3依附于待检测的机械构件，并紧贴该机械构件的外壁，柔性空间坐标检测杆内部沿轴向设有多个检测点，每个检测点设置光纤光栅用于获取应变信号。这些检测点沿柔性空间坐标检测杆轴向均匀布置，每个检测点均包含分别两组的4根光纤光栅，4根光纤光栅沿沿柔性空间坐标检测杆的圆形横截面均匀分布，相互之间呈90°。光纤光栅解调仪用于从检测点获取应变信号，将多个离散的检测点的应变信号转换成数字波长信号。计算机用于获取光纤光栅解调仪获取数字波长信号，最终得到每个检测点处的加速度。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过圆弧样条曲线标定处理，确定柔性空间坐标检测杆上各个检测点的应变信号与柔性空间坐标检测杆的曲线曲率间的比例系数K；

2)将柔性空间坐标检测杆紧贴于待检测的机械构件上，由各个检测点的光纤光栅根据柔性空间坐标检测杆的弯曲度，获取应变信号；

3)各个检测点的应变信号经对应的光纤光栅解调仪器转换成数字波长信号，由计算机实时采集；

4)计算机根据实时采集的数字波长信号信号，进行圆弧样条曲线标定处理，得到波长信号变化值和柔性空间坐标检测杆曲率值之间的对应关系，并根据此关系计算出柔性空间坐标检测杆上各个检测点处的曲率；

5)计算机根据柔性空间坐标检测杆上多个检测点的曲率信息，递推出柔性空间坐标检测杆上各检测点的空间坐标信息；

6)计算机处理由柔性空间坐标检测杆的空间坐标信息，将空间坐标信息中X、Y、Z三个方向的坐标对时间进行向后二次数值差分计算，得到X、Y、Z三个方向的加速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法，其特征在于，步骤1)中的圆弧样条曲线标定处理具体过程为：对于每个检测点的光纤光栅，先测出柔性空间坐标检测杆在若干个已知曲率半径ρ下的光纤光栅的中心波长λ，根据公式K=λ×ρ求出每个曲率半径ρ下的比例系数，然后取其平均值作为下一测量点的光纤光栅的比例系数K。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量方法，步骤6)中采用向后二次数值差分计算后，则有第i点t时刻的加速度为：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{itx}}=\frac{X_i\left(t\right)-2\&CenterDot;X_i(t-\mathrm{\&Delta;t})+X_i(t-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2}\\ A_{\mathrm{ity}}=\frac{Y_i\left(t\right)-2\&CenterDot;Y_i(t-\mathrm{\&Delta;t})+Y_i(t-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2}\\ A_{\mathrm{itz}}=\frac{Z_i\left(t\right)-2\&CenterDot;Z_i(t-\mathrm{\&Delta;t})+Z_i(t-2\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t})}{{\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)}^2}\end{array}\right\}$

式中，Aitx、Aity、Aitz分别为第i点t时刻在空间笛卡尔坐标系中x、y、z方向的加速度，Xi(t)、Yi(t)、Zi(t)分别为第i点t时刻在空间笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标。

4.一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量装置，其特征在于，包括：

柔性空间坐标检测杆：依附于待检测的机械构件，并紧贴该机械构件的外壁，柔性空间坐标检测杆内部沿轴向设有多个检测点，每个检测点设置光纤光栅用于获取应变信号；

光纤光栅解调仪：由检测点获取应变信号，将多个离散的检测点的应变信号转换成数字波长信号；

计算机：由光纤光栅解调仪获取数字波长信号，获得每个检测点处的加速度。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅曲率感知网络的空间加速度测量装置，其特征在于，多个检测点沿柔性空间坐标检测杆轴向均匀布置，每个检测点均包含分别两组的4根光纤光栅，4根光纤光栅沿沿柔性空间坐标检测杆的圆形横截面均匀分布。