CN111043979A - 基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置及方法，包括：在板状结构的两个面上对称布设的传感器阵列，所述传感器阵列包括：光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器；用于向所述的光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器发射激光的光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪接收传感器返回的激光，并解调出返回激光的波长；用于根据返回激光的波长数据，得到板状结构空间形状的数据重建装置；用于对板状结构空间形状进行显示的显示装置。本发明利用光纤光栅应变传感器灵敏度高、体积质量小、抗电磁干扰的特点，可实现单根光纤多点形变检测，易于构建分布式网络。

Description

基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置和方法

技术领域

本发明涉及板状结构形变检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置和方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

板状结构是卫星飞船等航天器、飞机等航空器、高速动车组等高端装备中常用且非常重要的结构，在多物理场耦合的复杂环境下服役，容易受到极端温度和外力作用影响，诱发结构形态变化，从而导致结构的安全性和可靠性下降，甚至导致灾难的发生。其运行过程中的形态直接关系到高端装备的结构安全，因此，开展对板状结构的形变检测具有重要意义。

目前常用的形状变化检测方法主要有视觉测量法、激光测量法和应变测量形变表征法等。

视觉测量法通过在待测结构上布置若干标记，用高速相机获得图像，再通过相应的算法计算出结构形状。该方法只适用于地面测试，在实际飞行过程中，所用测量***与待测结构分离，需要较大的空间，相机难以安装，并且单个CCD相机只能检测二维形状，而检测三维形状需要增加摄像机的数目，算法更加复杂，光照效果和距离都会影响形状检测的精度。

激光测量法主要是利用激光跟踪仪或激光测距仪对待测结构上大量离散点进行三维空间位置坐标测量，继而通过曲面拟合算法获得结构的形状。该方法需要激光跟踪仪或者激光测距仪对大量离散点进行三维坐标测量，测量速度较慢，无法满足实时性的要求，且只适用于静态测量的环境。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置和方法，在板状结构表面或内部构建分布式传感网络，通过检测离散点的应变信息结合三维重构算法，最终获得板状结构的形变情况。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置，包括：

在板状结构的两个面上对称布设的传感器阵列，所述传感器阵列包括：光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器；

用于向所述的光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器发射激光的光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪接收传感器返回的激光，并解调出返回激光的波长；

用于根据返回激光的波长数据，得到板状结构空间形状的数据重建装置；

用于对板状结构空间形状进行显示的显示装置。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置的工作方法，包括：

向布设在板状结构表面的光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器发射激光，得到所述传感器反射的激光波长数据；

根据返回激光的波长数据，对板状结构空间形状进行重建。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的对板状结构空间形状进行重建方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的对板状结构空间形状进行重建方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明利用光纤光栅应变传感器灵敏度高、体积质量小、抗电磁干扰的特点，可实现单根光纤多点形变检测，易于构建分布式网络。

2.本发明克服了视觉测量法和激光测量法的缺陷，可对板状结构进行主动检测，不受光照、狭小空间、检测对象运动姿态变化等因素的限制，性能优异。

3.本发明在板状结构两面对称布设光纤光栅应变传感器阵列，通过坐标旋转的方法获取板状结构表面每一个网络节点的绝对坐标，实现板状结构三维形状重建，具有更高的精度和灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例一中基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置结构示意图；

图2(a)为本发明实施例二中单个微元示意图；

图2(b)本发明实施例二中曲率关系示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施例中，公开了一种基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置，利用光纤光栅应变传感器组成传感器阵列，构建分布式传感网络，布设于板状结构表面或内部，通过检测离散点的应变信息结合三维重构算法，最终获得板状结构的形变情况。

装置的具体结构如图1所示，包括：光纤光栅应变传感器阵列、光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、数据采集与形状重建装置和显示装置。

光纤光栅应变传感器阵列与光纤光栅温度传感器均采用环氧树脂胶粘贴于板状结构上，光纤光栅解调仪向这些传感器发射激光，经过传感器后激光中心波长会发生变化。

光纤光栅解调仪包含2M个应变通道和1个温度通道，每个应变通道上分布有N个光纤光栅应变传感器(图1中M为8，N为1，实际应用时M和N的值根据板状结构的面积来选取)，双面构成两个对称的M*N的光纤光栅应变传感器阵列，用于采集板状结构各个采样点的应变值，温度通道上分布有一个光纤光栅温度传感器，用于进行温度补偿，消除温度导致的激光中心波长的偏移。

数据采集与形状重建装置用于根据采集到的数据进行板状结构三维形状的重建。一般采用处理器。

显示设备用于对重建好的板状结构的空间形状进行显示，一般采用显示器。

实施例二

在一个或多个实施例中，公开了一种基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置的工作方法，包括：

***工作时，光纤光栅解调仪向光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器发射激光，接收经过各个采样点后返回的激光，并解调出返回激光的波长，然后数据采集与形状重建设备接收光纤光栅解调仪解调出的返回激光的波长，对返回激光的波长进行分析和重建，得到板状结构的空间形状，并在显示设备上进行显示。

其中，对板状结构形状进行重建的过程包括以下步骤：

(1)通过光纤光栅应变传感器的中心波长求取各采样点的曲率；板上每个采样点位置上下两面各有一个应变传感器，对称分布；

板状结构可以看做是由若干个微元组成的，每个微元长度为A，厚度为B，如图2(a)所示，当微元受到外力作用时会发生变形，微元内侧被压缩，外侧被拉伸，在此过程中，中性层(图2(b)虚线部分)的长度保持不变，即无应变发生。

如图2(b)所示，发生形变后，微元的曲率半径为C，外侧伸长量与内侧压缩量分别为ε₁和ε₂，微元两侧形成的夹角为θ，这些量之间存在以下数学关系：

解方程组可以求得微元的曲率K：

由光纤光栅应变传感器的传感原理可知:

其中，P_e是有效弹光系数，λ₁是经过外侧传感器的激光中心波长，Δλ₁是经过外侧传感器的中心波长的偏移量，λ₂是经过内侧传感器的激光中心波长，Δλ₂是经过内侧传感器的中心波长的偏移量。

所以微元曲率K可以进一步表示为：

其中，B和P_e都是常量，故各采样点的曲率可以通过光纤光栅应变传感器的中心波长来求得。

(2)通过三次样条插值方法对得到的曲率数据进行插值处理，增加数据点。

通过光纤光栅应变传感器采集到的曲率值是离散的，采样点数目越多、越密集，重构出的板状结构的形状就越精确，误差越小，而光纤光栅应变传感器阵列的M和N值受到光纤光栅解调仪数据采集通道数的限制，是有限的，因此采用三次样条插值法进行插值，增加数据点。

(3)在板状结构曲面上建立空间直角坐标系，在所述曲面上建立正交曲线网络，网络节点对应于光纤光栅应变传感器的测量点和通过插值处理增加的数据点，求取所述网络节点的空间坐标，通过曲线拟合方式得到板状结构的空间形状。

空间直角坐标系Y方向的同一条曲线上，点M(n)从坐标原点经过平移和绕X轴旋转θ(n)后移动到点M(n+1)，再绕Y轴旋转a(n)后得到相邻点的运动坐标系θ(n)＝C(n)·S，S为两节点之间的弧长，C(n)为曲率半径，a(n)为绕Y轴的旋转角，利用X与Y方向的曲率耦合关系求取a(n)。依次求取曲线上每一个数据点的运动坐标系，就可以递推出它们在绝对坐标系中的坐标。

用M(n)表示数据点n的绝对坐标，M’(n)表示数据点n的相对坐标，M_x(n)、M_y(n)、M_z(n)分别表示数据点M(n)在绝对坐标系中的坐标值，则点M(n)所在运动坐标系中点M(n+1)的相对坐标M’(n+1)可以表示为：

通过递推从M(1)依次递推M(2)，M(3)，……，M(n)，可求得：

其中，N_x(θ(n))和N_y(α(n))分别表示将曲线上某点所在的运动坐标系分别绕X轴旋转θ角度和绕Y轴旋转α角度的旋转变换矩阵，且：

正交网络上每个数据点的坐标都与X方向和Y方向运动坐标系相关联，故在已知某数据点坐标时，为求取下一数据点坐标，必须进行两个不同方向坐标系的关联变换。

设点M_x(n+1)和M_y(m+1)分别是点M_x(n)和M_y(m)所在运动坐标系中的点，点M(n+1,m+1)为重合点，为简化计算，其有效值取M_x(n+1)和M_y(m+1)的中点，确定两个动坐标系的扭转角。

两动坐标系的Y轴和Z轴分别绕各自的X轴旋转θ_X(n)和θ_Y(m)，得到x’_X(n)-y’_X(n)-z’_X(n)和x’_Y(n)-y’_Y(n)-z’_Y(n)两坐标系，x’_X(n)、y’_X(n)、z’_X(n)分别为X方向运动坐标系的三个轴，x’_Y(n)、y’_Y(n)、z’_Y(n)分别为Y方向运动坐标系的三个轴，令R(x’_X(n),y’_X(n),z’_X(n))为某向量在x’_X(n)-y’_X(n)-z’_X(n)坐标系中的相对坐标，R(x’_Y(n),y’_Y(n),z’_Y(n))为某向量在x’_Y(n)-y’_Y(n)-z’_Y(n)坐标系中的相对坐标，可求得两坐标系的扭转角：

为保证两坐标系重合，它们应绕其Z轴旋转角度β：

X方向的新运动坐标系坐标为：

Y方向的新运动坐标系坐标为：

其中绕Z轴的旋转矩阵T_Z(β)为：

通过坐标系的旋转变换，在数据点M(n,m)完成两运动坐标系的耦合，结合曲线节点迭代递推，求出正交曲线网络中所有数据点的绝对坐标，重构出板状结构的形状结构。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例二中的对板状结构形状进行重建的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例二中对板状结构形状进行重建的方法，可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置，其特征在于，包括：

在板状结构的两个面上对称布设的传感器阵列，所述传感器阵列包括：光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器；

用于向所述的光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器发射激光的光纤光栅解调仪；所述光纤光栅解调仪接收传感器返回的激光，并解调出返回激光的波长；

用于根据返回激光的波长数据，得到板状结构空间形状的数据重建装置；

用于对板状结构空间形状进行显示的显示装置。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器阵列与光纤光栅温度传感器均采用环氧树脂胶粘贴于板状结构表面。

3.如权利要求1所述的基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器阵列在板状结构表面均匀布设。

4.如权利要求1所述的基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置，其特征在于，所述数据重建模块进行数据重建的过程为：

通过光纤光栅应变传感器的中心波长求取各采样点的曲率，所述采样点为传感器布设的点；

通过三次样条插值方法对得到的曲率数据进行插值处理，增加数据点；

在板状结构曲面上建立空间直角坐标系，在所述曲面上建立正交曲线网络，网络节点对应于光纤光栅应变传感器的测量点和通过插值处理增加的数据点，根据所述网络节点的空间坐标，通过曲线拟合方式得到板状结构的形状结构。

5.一种基于光纤光栅传感器阵列的板状结构形变检测装置的工作方法，其特征在于，包括：

向布设在板状结构表面的光纤光栅应变传感器阵列和光纤光栅温度传感器发射激光，得到所述传感器反射的激光波长数据；

根据返回激光的波长数据，对板状结构空间形状进行重建。

6.如权利要求5所述的工作方法，其特征在于，返回激光的波长数据，对板状结构空间形状进行重建，具体为：

通过光纤光栅应变传感器的中心波长求取各采样点的曲率；

通过三次样条插值方法对得到的曲率数据进行插值处理，增加数据点；

在板状结构曲面上建立空间直角坐标系，在所述曲面上建立正交曲线网络，网络节点对应于光纤光栅应变传感器的测量点和通过插值处理增加的数据点，求取所述网络节点的空间坐标，通过曲线拟合方式得到板状结构的空间形状。

7.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，通过光纤光栅应变传感器的中心波长求取各采样点的曲率，具体为：

将板状结构看做由若干个微元组成，微元的曲率K具体为：

其中，C为发生形变后，微元的曲率半径；ε₁和ε₂分别为发生形变后微元的外侧伸长量与内侧压缩量；A为每个微元长度；P_e是有效弹光系数，λ₁是经过外侧传感器的激光中心波长，Δλ₁是经过外侧传感器的中心波长的偏移量，λ₂是经过内侧传感器的激光中心波长，Δλ₂是经过内侧传感器的中心波长的偏移量。

8.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，求取所述网络节点的空间坐标，具体为：

假设M(n)表示数据点n的绝对坐标；

将数据点M(n)从坐标原点经过平移和绕X轴旋转θ(n)后移动到点M(n+1)，再绕Y轴旋转a(n)后得到相邻点的运动坐标系θ(n)＝C(n)·S；S为两节点之间的弧长，C(n)为曲率半径，a(n)为绕Y轴的旋转角，利用X与Y方向的曲率耦合关系求取旋转角a(n)；

依次求取曲线上每一个数据点的运动坐标系，通过递推得出它们在绝对坐标系中的坐标。

9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求6-8任一项所述的对板状结构空间形状进行重建方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求6-8任一项所述的对板状结构空间形状进行重建方法。

Images