CN104215197B - 基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法 - Google Patents

基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法属于精密仪器制造及测量技术；所述装置结构是：三芯光纤扇出器与低反射率三芯光纤布拉格光栅阵列传感器光缆连接，所述低反射率三芯光纤布拉格光栅阵列传感器光缆由纤芯均布配置的三芯光纤和配置在三芯光纤外部的保护套构成，三芯光纤上刻写了低反射率光纤布拉格光栅阵列；所述测量方法是：在多路光开关作用下，光学频域反射计OFDR通过测量光谱获得低反射率光纤布拉格光栅阵列和隔绝外应力封装的参考光纤布拉格光栅阵列光缆的应力、温度分布，进而解耦温度的影响，重建空间形状信息。本装置具有信噪比高、精度高、对环境不敏感、可以依附在被测构件表面实时测量以及使用寿命长的特点。

Description

基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法
技术领域
本发明属于精密仪器制造及测量技术，特别涉及一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法。
背景技术
随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于空间形状测量(复杂曲面的三维面形测量、智能材料的复杂形变等)的需求急剧增长。由于受到测量时间、采样点密度的限制，空间形状测量变得十分困难，尤其是多变、恶劣的测量环境使得传统的空间形状测量方法无法满足需求。以往的空间形状测量中，使用较多的方法有样板测量法、结构光三维视觉测量法和iGPS测量法等。
样板测量法是一种最为经典的曲面形状检验方法，它是利用设计时的截面参数制造数个截面的一维样板，通过在相应的截面位置观察其截面样板与被测截面之间的透光量判断其形状差。该方法简单、直观，是现今工业生产中的最常用的接触式检验手段。由于其检验时需要借助人眼判断透光量，无法精确给出其型面数据。不同的截面形状需要不同的截面样板，样板的需求量很大，成本很高。
结构光三维视觉测量法中，测量系统主要由结构光投射装置、图像传感器、图像采集及处理系统组成。测量原理是向被测物体投射一定结构的光模型如点光源、线光源、十字光条、正弦光栅和编码光，结构光受被测物体表面信息的调制而发生形变，利用图像传感器记录变形的结构光条纹图像，并结合系统的结构参数来获取物体的三维信息。这种方法以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。但是，这种方法容易受外接环境光线和气流的影响并且容易产生遮挡，不适合用于多变、恶劣的测量环境，如飞机在高速飞行中的机翼、机舱形状的实时测量。
iGPS测量法是一种坐标测量技术。该方法中，处于测量点位置的多个靶标可以接收多个室内发射器(基站)的信号，每个靶标可以独立的计算它们当前的位置并确立测量点在测量坐标系中的坐标。该方法具有很高的测量精度。但是，该方法只能手动逐点地测量，测量效率低，不具有实时测量的能力。
发明内容
本发明是针对上述空间形状测量方法存在的问题提出的，其目的是提供一种可以在多变、恶劣的测量环境中实现复杂空间形状实时测量的基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置包括宽频光源、控制计算机、EOM脉冲调制器、光环形器、光学频域反射计OFDR、多路光开关，所述宽频光源与EOM脉冲调制器、EOM脉冲调制器与光环形器、光环形器与多路光开关、多路光开关与三芯光纤扇出器通过单模光纤连接形成通路；所述光环形器与光学频域反射计OFDR通过单模光纤连接形成通路；所述三芯光纤扇出器与低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆连接，所述低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆由纤芯均布配置的三芯光纤和配置在三芯光纤外部的保护套构成，在三芯光纤上刻写了低反射率光纤光栅阵列；所述多路光开关与隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆连接形成通路；控制计算机通过电缆分别与EOM脉冲调制器、光学频域反射计OFDR、多路光开关连通。
一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量方法，该方法是：宽频光源经EOM脉冲调制器调制产生一个光脉冲，经光环形器进入多路光开关，在多路光开关的控制下，所述光脉冲经三芯光纤扇出器进入低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆中三芯光纤的一根纤芯并被三芯光纤上的低反射率光纤光栅阵列反射，反射光经多路光开关、光环形器进入光学频域反射计OFDR，光学频域反射计OFDR可以分析不同时间的光谱信号，从而获得与应力、温度分布有关的低反射率光纤光栅阵列中不同位置光纤光栅的反射光谱；多路光开关的控制下，光学频域反射计OFDR可以通过光谱测量获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆中三芯光纤三根纤芯的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆的温度分布；利用隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆的温度分布可以解耦温度对低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆的影响，进而可以获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆中三芯光纤上低反射率光纤光栅阵列的应力分布，根据应力分布可以重建构待测构件的空间形状。
本发明的优点是：
1.基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法具有光谱特性好、对光源稳定性依赖低、精度高、重复性好、对环境不敏感、使用寿命长的特点。
2.低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆体积小、重量轻，既可以依附在待测构件表面也可以埋入构件内部使用；光学探测信号仅在光纤光栅内部传输，将空间位置信息转化为频谱的变化，测量时不受空间遮挡效应和空气流动的影响。
3.在低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆并列设置一根隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆，消除了环境温度变化对测量的影响，大大提高了传感器对环境的适应能力，可以满足多变、恶劣环境下的测量要求。
附图说明
图1是基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置结构示意图；
图2是低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆示意图；
图3是图2中A-A剖面图；
图4是低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆传感原理的示意图；
图5是低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆的一个测量实例示意图，图中本发明正在测量一架客机的机翼。
图中：11.宽频光源，12.控制计算机，13.EOM脉冲调制器，14.光环形器，15.光学频域反射计OFDR，16.多路光开关，17.三芯光纤扇出器，18.低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆，19.隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆，21.三芯光纤，22.保护套，23.低反射率光纤光栅阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述：
一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置包括宽频光源11、控制计算机12、EOM脉冲调制器13、光环形器14、光学频域反射计OFDR15、多路光开关16，所述宽频光源11与EOM脉冲调制器13、EOM脉冲调制器13与光环形器14、光环形器14与多路光开关16、多路光开关16与三芯光纤扇出器17通过单模光纤连接形成通路；所述光环形器14与光学频域反射计OFDR15通过单模光纤连接形成通路；所述三芯光纤扇出器17与低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18连接，所述低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18由纤芯均布配置的三芯光纤21和配置在三芯光纤21外部的保护套22构成，在三芯光纤21上刻写了低反射率光纤光栅阵列23；所述多路光开关16与隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆19连接形成通路；控制计算机12通过电缆分别与EOM脉冲调制器13、光学频域反射计OFDR15、多路光开关16连通。
一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量方法，宽频光源11经EOM脉冲调制器13调制产生一个光脉冲，经光环形器14进入多路光开关16，在多路光开关16的控制下，所述光脉冲经三芯光纤扇出器17进入低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21的一根纤芯并被三芯光纤21上的低反射率光纤光栅阵列23反射，反射光经多路光开关16、光环形器14进入光学频域反射计OFDR15，光学频域反射计OFDR15可以分析不同时间的光谱信号，从而获得与应力、温度分布有关的低反射率光纤光栅阵列23中不同位置光纤光栅的反射光谱；多路光开关16的控制下，光学频域反射计OFDR15可以通过光谱测量获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21三根纤芯的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆19的温度分布；利用隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆19的温度分布可以解耦温度对低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18的影响，进而可以获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21上低反射率光纤光栅阵列23的应力分布，根据应力分布可以重建构待测构件的空间形状。
本发明的工作过程如下：
基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法的测量过程，如图5所示，将低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18依附在一架客机的机翼的表面(或将其埋入机翼内部)，此时低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18将根据机翼表面的形状变化即低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18的空间形状就是待测机翼的空间形状，由于低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18空间形状弯曲变化，其内部的三芯光纤21上低反射率光纤光栅阵列23将受到应力作用，低反射率光纤光栅阵列23可将应力分布转化为光谱的变化，采用光学频域反射计OFDR15可以通过光谱测量获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21三根纤芯的应力分布，进而重建空间形状。
基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置及方法是这样工作的：宽频光源11经EOM脉冲调制器13调制产生一个光脉冲，经光环形器14进入多路光开关16，在多路光开关16的控制下，所述光脉冲经三芯光纤扇出器17进入低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21的一根纤芯并被三芯光纤21上的低反射率光纤光栅阵列23反射，经多路光开关16、光环形器14进入光学频域反射计OFDR15，低反射率光纤光栅阵列23中光纤光栅的空间位置不同，反射光进入光学频域反射计OFDR15会有一定的时间间隔，因此光学频域反射计OFDR15可以测量低反射率光纤光栅阵列23的光谱，根据光纤光栅光谱与应力、温度的关系可以获得低反射率光纤光栅阵列23的应力、温度分布；在多路光开关16控制下切换光路，光学频域反射计OFDR15可以通过测量光谱获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21的三根纤芯上的低反射率光纤光栅阵列23的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆19的温度分布，使用隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆19的温度分布参数对低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆18中三芯光纤21的三根纤芯上的低反射率光纤光栅阵列23的应力分布进行温度解耦，利用三根纤芯的应力信息可以对整个传感器光缆的空间形状进行重构如图4所示，完成待测构件空间形状的测量。

Claims (2)

1.一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置，包括宽频光源(11)、控制计算机(12)、EOM脉冲调制器(13)、光环形器(14)、光学频域反射计OFDR(15)、多路光开关(16)，所述宽频光源(11)与EOM脉冲调制器(13)、EOM脉冲调制器(13)与光环形器(14)、光环形器(14)与多路光开关(16)、多路光开关(16)与三芯光纤扇出器(17)通过单模光纤连接形成通路；所述光环形器(14)与光学频域反射计OFDR(15)通过单模光纤连接形成通路；其特征在于：所述三芯光纤扇出器(17)与低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆(18)连接，所述低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆(18)由纤芯均布配置的三芯光纤(21)和配置在三芯光纤(21)外部的保护套(22)构成，在三芯光纤(21)上刻写了低反射率光纤光栅阵列(23)；所述多路光开关(16)与隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆(19)连接形成通路；控制计算机(12)通过电缆分别与EOM脉冲调制器(13)、光学频域反射计OFDR(15)、多路光开关(16)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于低反射率三芯光纤光栅阵列空间形状测量装置的测量方法，其特征在于：宽频光源(11)经EOM脉冲调制器(13)调制产生一个光脉冲，经光环形器(14)进入多路光开关(16)，在多路光开关(16)的控制下，所述光脉冲经三芯光纤扇出器(17)进入低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆(18)中三芯光纤(21)的一根纤芯并被三芯光纤(21)上的低反射率光纤光栅阵列(23)反射，反射光经多路光开关(16)、光环形器(14)进入光学频域反射计OFDR(15)，光学频域反射计OFDR(15)可以分析不同时间的光谱信号，从而获得与应力、温度分布有关的低反射率光纤光栅阵列(23)中不同位置光纤光栅的反射光谱；多路光开关(16)的控制下，光学频域反射计OFDR(15)可以通过光谱测量获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆(18)中三芯光纤(21)三根纤芯的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆(19)的温度分布；利用隔绝外应力封装的参考光纤光栅阵列光缆(19)的温度分布可以解耦温度对低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆(18)的影响，进而可以获得低反射率三芯光纤光栅阵列传感器光缆(18)中三芯光纤(21)上低反射率光纤光栅阵列(23)的应力分布，根据应力分布可以重建构待测构件的空间形状。
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