CN109974621A - 一种物体表面曲率的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物体表面曲率的检测方法，获取一根四芯光纤和两根单模光纤，采用粗锥的熔接方式将两根单模光纤别熔接在四芯光纤的两端，制得传感器；获取多个已知曲率参数的物体表面，分别将传感器贴于物体表面上，其一端接入光源，其另一端接入光谱分析仪，获得在相应曲率参数下物体表面所测得的光谱图；所测得的所有光谱图中，选取同一段波谷的中心波长，并通过线性拟合得到y＝a‑bx，即x＝(a‑y)/b，传感器放置在待检测物体表面上并获取相应检测光谱图，选取其中对应波谷的中心波长，代入公式x＝(y‑a)/b得到该物体表面的曲率参数。本发明通过接触被测量物体的方式直接测量得到物体的曲率，测量操作简单，使用方便可靠。

Description

一种物体表面曲率的检测方法

技术领域

本发明涉及传感检测领域，具体涉及一种物体表面曲率的检测方法。

背景技术

结构的曲率是一个非常重要的几何参数，其准确的测量在很多方面有着重要的意义，从医学上人眼角膜测量和儿童呼吸的监测，到运动员训练中关节运动姿态的记录等可穿戴电子的研发，再到大型工件如船体、汽车覆盖件的制作，大型工程施工、重要基建设施质量的保证等都有体现。

传统的接触式测量法往往是利用测量工具与工件表面直接接触得出数据，例如游标卡尺、千分尺等等。这些测量仪器虽然使用原理简单，但是操作起来极不方便，不适合在工作环境中使用。目前，曲率测量主要使用非接触式的光学方法，例如利用光纤光栅测量、激光测距、激光干涉和图像分析等技术设计制作的传感器。此外，还有利用磁场定位原理的磁学测量法和声学测量法等方法。而这些方法大多数实现过程比较复杂，设计制作成本比较高，使用范围有一定的局限性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种操作简单，使用方便可靠的物体表面曲率的检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种物体表面曲率的检测方法，包括以下步骤：

(1)获取一根四芯光纤和两根单模光纤，采用粗锥的熔接方式将两根单模光纤别熔接在四芯光纤的两端，单模光纤的端面中心与四芯光纤的端面中心相对应，进而制得传感器；

(2)获取多个已知曲率参数的物体表面，分别将步骤(1)中获得的传感器贴于物体表面上，将其一端接入光源，其另一端接入光谱分析仪，获得在相应曲率参数下物体表面所测得的光谱图；

(3)在步骤(2)中所测得的所有光谱图中，选取同一段波谷的中心波长，并通过线性拟合得到y＝a-bx，即x＝(a-y)/b，其中y为曲率检测光谱中该波谷的中心波长，a为曲率为0时传感器光谱中该波谷的中心波长，b为传感器每变化1m^-1该中心波长在光谱中的偏移量，x为物体表面检测曲率；

(4)将步骤(1)中的传感器放置在待检测物体表面上并获取相应检测光谱图，选取其中对应波谷的中心波长，代入公式x＝(y-a)/b得到该物体表面的曲率参数。

综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过接触被测量物体的方式直接测量得到物体的曲率，测量操作简单，使用方便可靠。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明中传感器对0.4481m^-1、0.4694m^-1和0.4902m^-1曲率的物体表面所测得光谱图中波谷对应波长在1557～1564nm范围内的输出干涉光谱图；

图2为本发明中传感器对0.5102m^-1、0.5295m^-1和0.5481m^-1曲率的物体表面所测得光谱图中波谷对应波长在1557～1564nm范围内的输出干涉光谱图；

图3为本发明中传感器所测得的光谱图在1557～1564nm附近的中心波长与曲率的线性拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本具体实施方式中的一种物体表面曲率的检测方法，包括以下步骤：

(1)获取一根四芯光纤和两根单模光纤，采用粗锥的熔接方式将两根单模光纤别熔接在四芯光纤的两端，单模光纤的端面中心与四芯光纤的端面中心相对应，进而制得传感器；

在熔接的过程中，使用光纤熔接机，熔接程序的参数如下，首次放电开始强度+100，首次放电结束强度+100，再次放电开始强度+40，再次放电结束强度+40，首次放电时间+1000ms，再次放电时间+2000ms，推进距离+300μm。通过变化推进距离可以调节锥区宽度和长度，提高耦合效果，增强干涉强度。锥的长度约为367.86μm，锥的最大直径约为182.14μm。四芯光纤长度为5.3cm，包层和纤芯直径于单模光纤一样分别为125μm和9μm，边缘三个纤芯之间的距离l＝41.5μm，中间纤芯与边缘三芯距离皆为s＝25μm。

将输入单模光纤的光注入第一个锥，激发不同的模态，增大有效模态场的直径。然后将部分光耦合到四芯光纤的四芯上，激发出两种基本的超模态(纤芯模和包层模)。这两种模式的光在四芯光纤中传播，然后在第二个锥中相遇，产生干扰形成MZI。MZI的输出光强为：

式中，I₁、I₂分别为两种超模6态的光强度，为两者的相位差，即：

式中，λ为波长，L为四芯光纤的长度，Δn_eff是纤芯有效折射率和包层有效折射率之间的差值，当包层模和纤芯模之间的差值等于(2m+1)π时，芯层和包层中的光会发生干涉相消，即会产生干涉波谷。m阶干涉波谷可表示为：

其中m是整数。由式(3)可知，相邻衰减峰波长之间的间距近似为：

从式(4)可以看出，传感器的FSR会随着L的减小而增大。由(3)式可以发现，Δn_eff和L都会影响干涉峰的波长偏移。

(2)获取0.4481m^-1，0.4694m^-1，0.4902m^-1，0.5102m^-1，0.5295m^-1和0.5481m^-1曲率参数的物体表面，分别将步骤(1)中获得的传感器贴于物体表面上，将其一端接入光源，其另一端接入光谱分析仪，获得在相应曲率参数下物体表面所测得的光谱图；

(3)在步骤(2)中所测得的所有光谱图中，选取1557～1564nm范围内波谷的中心波长，如图1和图2所示，可以很明显的发现中心波长向短波方向移动，计算得到每变化1m^-1其在光谱中的偏移量为15.57nm，曲率为0时中心波长为1567.20762，并通过使用origin软件线性拟合得到y＝a-bx，拟合系数R²＝0.99198，即x＝(a-y)/b，如图3所示，其中y为曲率检测光谱中该波谷的中心波长，a为曲率为0时传感器光谱中该波谷的中心波长，b为传感器每变化1m^-1该中心波长在光谱中的偏移量，x为物体表面检测曲率；

(4)将步骤(1)中的传感器放置在待检测物体Ⅰ表面上并获取相应检测光谱图，选取1557～1564nm范围内波谷的中心波长，得到该波谷的具体中心波长为1558.68nm，代入公式x＝(a-y)/b得到该物体表面的曲率参数为为0.5480m^-1。

另外，再使用传感器放置在待检测物体Ⅱ表面上并获取相应检测光谱图，选取1557～1564nm范围内波谷的中心波长，得到该波谷的具体中心波长为1559.82nm，代入公式x＝(a-y)/b得到该物体表面的曲率参数为为0.4745m^-1。

继续使用传感器放置在待检测物体Ⅲ表面上并获取相应检测光谱图，选取1557～1564nm范围内波谷的中心波长，得到该波谷的具体中心波长为1562.36nm，代入公式x＝(a-y)/b得到该物体表面的曲率参数为为0.3113m^-1。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (1)

1.一种物体表面曲率的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)获取一根四芯光纤和两根单模光纤，采用粗锥的熔接方式将两根单模光纤别熔接在四芯光纤的两端，单模光纤的端面中心与四芯光纤的端面中心相对应，进而制得传感器；

(2)获取多个已知曲率参数的物体表面，分别将步骤(1)中获得的传感器贴于物体表面上，将其一端接入光源，其另一端接入光谱分析仪，获得在相应曲率参数下物体表面所测得的光谱图；

(3)在步骤(2)中所测得的所有光谱图中，选取同一段波谷的中心波长，并通过线性拟合得到y＝a-bx，即x＝(a-y)/b，其中y为曲率检测光谱中该波谷的中心波长，a为曲率为0时传感器光谱中该波谷的中心波长，b为传感器每变化1m^-1该中心波长在光谱中的偏移量，x为物体表面检测曲率；

(4)将步骤(1)中的传感器放置在待检测物体表面上并获取相应检测光谱图，选取其中对应波谷的中心波长，代入公式x＝(y-a)/b得到该物体表面的曲率参数。