CN109000839B - 一种基于3d打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，包括信号臂、参考臂、信号接收处理系统和多个LCI压力计，多个LCI压力计按照阵列形式分布在床垫的各个位置；LCI压力计包括3D打印的圆盘，圆盘内设置有光纤，光纤的两端均设有LCI光纤传感器；多个LCI压力计内的光纤均与信号臂相连，信号臂还与宽带光源连接，信号臂上设置有第一耦合器；参考臂与信号接收处理系统连接，参考臂上设有第二耦合器；第一耦合器与第二耦合器之间通过光纤光缆连接；第二耦合器还连接有末端切平的用以反射光信号的反射光纤；参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相互配合。本发明使得精度更高、稳定性更好。

Description

一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统
技术领域
本发明涉及床垫压力测试技术领域，特别是涉及一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统。
背景技术
床垫压力测试系统是一种探测人体卧床时各部位承受的回应力来反映人体各部分压力的情况，即时对所测试资料进行电脑分析，顾客便可依照自身需求选购不同款式、质地承受力及软硬度的床垫，以达到完美的睡眠境界。
现有技术提出了一些基于不同类型光纤传感器技术反映压力的传感器专利，如已经公开的专利号C102721492A所述的光纤法珀压力传感器，具有无电源、体积小、重量轻等特点。但其主要根据法珀腔长发生变化来实现传感。
专利号CN10858809A公开的光纤法布里-珀罗压力传感器，主要避免了传统的光纤法布里-珀罗传感器膜片不能变形过大的缺陷，可得到更高的测量精度。但其也是通过法珀腔长发生变化来实现传感的。
专利号CN205228702U公开的基于F-P干涉原理的光纤高压传感器，抗电磁干扰性强，仅需对低功率光源供电。但其传感信号主要是通过偏振低相干干涉法解调，尤其适合海洋监测、石油、化工等领域的压力测量。
另外一种高分辨率偏振低相干干涉压力测试装置(专利号CN105466621A)，基于二维电子扫描型解调干涉仪获取二维低相干干涉条纹信号，利用带空间倾角的双折射光楔的光学杠杆效应实现同时具有大测量范围和高分辨率的光纤压力传感解调方法，避免了之前的电子扫描型和机械扫描型的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，使得精度更高、稳定性更好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，包括信号臂、参考臂、信号接收处理系统和多个LCI压力计，所述多个LCI压力计按照阵列形式分布在床垫的各个位置；所述LCI压力计包括3D打印的圆盘，所述圆盘内设置有光纤，所述光纤的两端均设有LCI光纤传感器；所述多个LCI压力计内的光纤均与信号臂相连，所述信号臂还与宽带光源连接，所述信号臂上设置有第一耦合器；所述参考臂与信号接收处理系统连接，所述参考臂上设有第二耦合器；所述第一耦合器与第二耦合器之间通过光纤光缆连接；所述第二耦合器还连接有末端切平的用以反射光信号的反射光纤；所述参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相互配合。
所述信号臂为一段可调整长度的光纤，且该光纤的两端反射率不同。
所述多个LCI压力计中的LCI光纤传感器的反射率均不相同。
所述宽带光源发出的光信号经过第一耦合器后进入信号臂，LCI光纤传感器因圆盘受压而产生拉压变形，光纤的拉压变形导致光程的变化，当由信号臂和参考臂反射回的光的光程差低于最小相干光程时，则发生光的干涉；根据光的干涉导致的光程差结果计算圆盘在竖直方向产生的压力。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用迈克尔逊低相干干涉技术，将多个压力计串联起来，进而反映不同测点的压力变化，具有较强抗电磁干扰以及测量精度高、测量范围大的特点，可以广泛的布设于不同的大型土木工程结构如隧道、地铁或铁路线路、地基、路面等等结构中，可以固定在不同结构的内部或者外部位置，测量工程结构的受压变形。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是本发明在床垫中的结构示意图；
图3是LCI压力计的结构示意图；
图4是本发明的使用流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，如图1-图3所示，包括信号臂5、参考臂10、信号接收处理系统2和多个LCI压力计6，所述多个LCI压力计6按照阵列形式分布在床垫的各个位置；所述LCI压力计6包括3D打印的圆盘61，所述圆盘61内设置有光纤，所述光纤的两端均设有LCI光纤传感器62；所述多个LCI压力计6内的光纤均与信号臂5相连，所述信号臂5还与宽带光源1连接，所述信号臂5上设置有第一耦合器41；所述参考臂10与信号接收处理系统2连接，所述参考臂10上设有第二耦合器42；所述第一耦合器41与第二耦合器42之间通过光纤光缆连接；所述第二耦合器42还连接有末端切平的用以反射光信号的反射光纤7；所述参考臂10与光学移动扫描平台8上的反光镜9相互配合。所述信号臂5为一段可调整长度的光纤，且该光纤的两端反射率不同。
光信号首先从宽带光源1发出，经过第一耦合器41后进入信号臂5，信号臂5为高强度铠装光缆(可承受较强的拉力)并与LCI压力计6中的一系列带有不同反射率的LCI光纤传感器62相连接，安装在圆盘61内的LCI光纤传感器62因圆盘61受压而产生拉压变形，得到的应变可以计算压力大小。当由信号臂5和参考臂10反射回的光的光程差低于最小相干光程Lc时，则光的干涉就会发生。信号臂上相邻两段LCI光纤传感器的光程差Δx主要由LCI光纤传感器应变变形后的光纤光程变化ΔL(ε)，以及相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)产生，如以下公式所示：
Δx＝nΔL(ε)+LΔn(ε)
式中，ε代表应变变形，L为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化ΔL(ε)和相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)分别可以由以下的公式表示：
ΔL(ε)＝Lε
Figure BDA0001677369290000031
其中，μ为泊松比，p11和p12光纤的Pockel常数。将上述公式合并后可以得到以下计算光程差Δx的公式：
Figure BDA0001677369290000032
对于标准的单模光缆，各个光纤纤芯的参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.25，n＝1.46。因此由以上公式可以得到光纤光程差和应变变形关系如下：
Δx＝1.19Lε
当床垫里的圆盘受压时，光纤传感器是受拉，光纤传感器承受人体的应力F为：
F＝EεA
其中，E为光纤的弹性模量，A为圆盘的面积。
圆盘受到压力后，相应的光纤传感器的拉应力F或拉应变会变化，因此拉应变值的大小与压力一一对应。考虑以上的公式，则：
Figure BDA0001677369290000041
以上公式即为LCI光纤传感器测得的光程差Δx与拉应力F的关系，其他的参数均为常数，基于上式便可以计算出所测压力。
如图4所示，本实施例提供的基于3D打印的低相干干涉技术的压力传感装置使用的具体过程如下：
(1)将LCI光纤传感器的参考臂5分别与压力计内部的每个带有LCI光纤传感器62的光纤相连接；
(2)对LCI压力计6内部的LCI光纤传感器62进行逐个扫描；利用宽带光源对信号臂和参考臂同时进行扫描，利用信号臂和参考臂的干涉导致光程的变化进而量化LCI光纤的变形大小；
(3)记录扫描后得到的光程差结果；
(4)将扫描后得到的两个光程差结果代入到
Figure BDA0001677369290000042
中计算光纤拉力，从而利用初始标定的F与压力的关系来得出压力的变化。
试验表明，本实施例提供的基于低相干干涉技术的测斜系统测量方便且测量精度高。

Claims (3)

1.一种基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，包括信号臂、参考臂、信号接收处理系统和多个LCI压力计，其特征在于，所述多个LCI压力计按照阵列形式分布在床垫的各个位置；所述LCI压力计包括3D打印的圆盘，所述圆盘内设置有光纤，所述光纤与所述圆盘上表面平行，所述光纤的两端均设有LCI光纤传感器；所述多个LCI压力计内的光纤均与信号臂相连，所述信号臂还与宽带光源连接，所述信号臂上设置有第一耦合器；所述参考臂与信号接收处理系统连接，所述参考臂上设有第二耦合器；所述第一耦合器与第二耦合器之间通过光纤光缆连接；所述第二耦合器还连接有末端切平的用以反射光信号的反射光纤；所述参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相互配合；所述宽带光源发出的光信号经过第一耦合器后进入信号臂，LCI光纤传感器因圆盘受压而产生拉压变形，光纤的拉压变形导致光程的变化，当由信号臂和参考臂反射回的光的光程差低于最小相干光程时，则发生光的干涉；根据光的干涉导致的光程差结果计算圆盘在竖直方向产生的压力，计算公式为：
Figure FDA0002760872890000011
其中，F为光纤传感器承受人体的应力，E为光纤的弹性模量，A为圆盘的面积，Δx为光程差，L为光纤长度。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，其特征在于，所述信号臂为一段可调整长度的光纤，且该光纤的两端反射率不同。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印与低相干干涉技术的床垫压力测试系统，其特征在于，所述多个LCI压力计中的LCI光纤传感器的反射率均不相同。
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