CN109307482B - 温度不敏感的光纤形状重构系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度不敏感的光纤形状重构系统，包括激光探测仪、光纤、待测物和处理装置，光纤中第一光纤段固定在待测物的上表面，第二光纤段固定在待测物的下表面上且与第一光纤段重叠对应，第一光纤段的第一端与激光探测仪连接，另一端通过连接段与第二光纤段连接；处理装置对激光探测仪采集获得的参考信号和测量信号做时频域转换和互相关运算，得到光纤上各处的波长漂移值，针对第一光纤段与第二光纤段在待测物上的各个对应位置，将第一光纤段在对应位置处的波长漂移值减去第二光纤段在对应位置处的波长漂移值，并将相减得到的波长漂移值除以二，获得光纤在该对应位置处的波长漂移值，计算出对应的弯曲曲率，重构出光纤形状。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种温度不敏感的光纤形状重构系统。
背景技术
形状重构技术可以应用于多个领域。医疗上，传统内窥镜在介入人体过程中，更多的凭借医生的经验，容易发生穿孔、刮擦等医疗事故，而基于形状探知的智能内窥镜能够获知内部结构，从而为医生实施检查和治疗提供有效信息，避免上述危险情况的发生。除此之外，微创手术使用的医用导管、导丝嵌入光纤的方法同样可以达到该目的。飞行器设计上，机翼采用固定传感光纤的方法，可以有效的模拟出机翼形态，侦测到形状变化。
目前使用的形状重构技术多是采用电阻应变片或曲率传感器串联，单个传感单元获取单个应变或曲率信息，确定该信息于坐标位置的关系，然后基于离散点的位置信息进行曲线拟合。但是该方法具有空间分辨率不够的明显缺点，分布的传感单元之间的间隔越大，拟合曲线和实际曲线的空间误差越大。除此之外，曲率信息不只是由物体应变来决定，还会受到周围环境温度的影响，所以对温度敏感同样是该装置和方法的劣势。
发明内容
本发明提供一种基于温度不敏感的光纤形状重构系统，以解决目前物体应变曲线重构时对温度敏感且准确度较低的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种温度不敏感的光纤形状重构系统，包括激光探测仪、光纤、待测物和处理装置，所述光纤包括第一光纤段、第二光纤段和连接段，所述第一光纤段固定在所述待测物的上表面上，第二光纤段固定在所述待测物的下表面上且与所述第一光纤段重叠对应，所述第一光纤段的第一端与所述激光探测仪连接，另一端通过所述连接段与所述第二光纤段连接；
所述激光探测仪向所述光纤提供激光信号，基于后向瑞利散射效应，采集获得所述待测物在初始状态下的参考信号以及在测量状态下的测量信号；
所述处理装置对所述参考信号和测量信号做时频域转换和互相关运算，得到所述光纤上各处的波长漂移值，针对所述第一光纤段与第二光纤段在所述待测物上的各个对应位置，将所述第一光纤段在对应位置处的波长漂移值减去所述第二光纤段在对应位置处的波长漂移值，并将相减得到的波长漂移值除以二，获得所述光纤在该对应位置处的波长漂移值，并且根据所述光纤在各个对应位置处波长漂移值计算出对应的弯曲曲率，从而根据所述光纤在各个对应位置处的波长漂移值和弯曲曲率，重构出光纤的形状。
在一种可选的实现方式中，所述激光探测仪为可调谐扫频激光器。
在另一种可选的实现方式中，所述光纤为普通的单模光纤。
在另一种可选的实现方式中，所述第一光纤段和第二光纤段铺设在所述待测物上后，对所述第一光纤段和第二光纤段及其周边的待测物区域涂覆环氧树脂胶水层，以将所述第一光纤段和第二光纤段固定在所述待测物上，其中环氧树脂胶水层的厚度大于或者等于所述光纤的直径。
在另一种可选的实现方式中，在根据所述光纤在各个对应位置处波长漂移值计算出对应的弯曲曲率时，根据以下公式进行计算：
其中，κ表示弯曲曲率，Pe表示光纤的弹光系数，λB表示中心波长，h表示光纤横截面的直径，ΔλB表示应变引起的波长漂移。
在另一种可选的实现方式中，所述光纤的直径越大，可测量的弯曲曲率越小。
在另一种可选的实现方式中，所述光纤横截面的直径为0.4mm。
在另一种可选的实现方式中，所述待测物的厚度越厚，可测量的弯曲曲率越小。
在另一种可选的实现方式中，所述待测物的厚度为0.1mm～0.3mm。
本发明的有益效果是：
本发明通过将同一条光纤的两光纤段重叠对应设置在待测物的上下两面，对两光纤采集到的信号进行关联处理，可以消除温度对曲率测量的影响，从而使得物体应变形状重构时的准确度较高。
附图说明
图1是本发明温度不敏感的光纤形状重构系统的一个实施例结构图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明任意形状的重构结果图；
图4是本发明温度不敏感测试结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1所示，为本发明温度不敏感的光纤形状重构系统的一个实施例结构图。结合图2所示，该系统可以包括激光探测仪1、光纤2、待测物3和处理装置4，所述光纤2包括第一光纤段21、第二光纤段22和连接段23，所述第一光纤段21固定在所述待测物3的上表面上，第二光纤段22固定在所述待测物3的下表面上且与所述第一光纤段21重叠对应，所述第一光纤段21的第一端与所述激光探测仪1连接，另一端通过所述连接段23与所述第二光纤段22连接；所述激光探测仪1向所述光纤2提供激光信号，基于后向瑞利散射效应，采集获得所述待测物3在初始状态下的参考信号以及在测量状态下的测量信号；所述处理装置4对所述参考信号和测量信号做时频域转换和互相关运算，得到所述光纤2上各处的波长漂移值，针对所述第一光纤段21与第二光纤段22在所述待测物3上的各个对应位置，将所述第一光纤段21在对应位置处的波长漂移值减去所述第二光纤段22在对应位置处的波长漂移值，并将相减得到的波长漂移值除以二，获得所述光纤2在该对应位置处的波长漂移值，并且根据所述光纤2在各个对应位置处波长漂移值计算出对应的弯曲曲率，从而根据所述光纤2在各个对应位置处的波长漂移值和弯曲曲率，重构出光纤2的形状。
本实施例中，所述激光探测仪1可以为可调谐扫频激光器，其扫描中心波长为1550nm，扫描范围为16nm，可调谐扫频激光器基于OFDR(Optical Frequency DomainReflectometry，光频域反射技术)进行信号采集，OFDR技术是一种基于后向瑞利散射的相干探测技术，具有高灵敏度、高空间分辨率的特点。所述光纤2为普通的单模光纤。现有技术中，利用光纤进行曲率检测的传感器通常需要对光纤进行处理，例如在光纤上间隔刻制光栅或涂覆敏感区，并且使用的是保偏光纤，本发明并不需要对光纤进行特殊处理，并且使用的是普通的单模光纤，由此使得曲率测量的搭建简单，成本较低。为了对第一光纤段21和第二光纤段22进行固定，所述第一光纤段21和第二光纤段22铺设在所述待测物3上后，在所述第一光纤段21和第二光纤段22及其周边的待测物3区域涂覆环氧树脂胶水层5，以将所述第一光纤段21和第二光纤段22固定在所述待测物3上，其中环氧树脂胶水层5的厚度大于或者等于所述光纤2的直径，以使将光纤2包裹在环氧树脂胶水层5内。本发明在将第一光纤段21和第二光纤段22固定在待测物3上，并不是在第一光纤段21与待测物3之间或者第二光纤段22与待测物3之间设置粘结剂进行固定粘结，而是将第一光纤段21和第二光纤段22与待测物3直接接触，利用覆盖在第一光纤段21和第二光纤段22上的环氧树脂胶水层5对第一光纤段21和第二光纤段22进行固定，如此一方面第一光纤段和第二光纤段与待测物直接接触，可以使第一光纤段和第二光纤段更准确地反映出待测物的弯曲状态，另一方面环氧树脂胶水层可以对光纤进行固定，并且利用环氧树脂胶水层的隔热性在一定程度上能降低温度对光纤造成的影响。
另外，本发明中第一光纤段21和第二光纤段22通过连接段23连接，两光纤段同属于一条光纤，如果采用单独的两条光纤分别作为第一光纤段21和第二光纤段22，那么在进行测量时需要将两条光纤先后与激光探测仪相连，操作麻烦且费时。为此，本发明利用同一根光纤中的两段分别作为第一光纤段和第二光纤段，并且令第一光纤段和第二光纤段通过连接段连接，可以简化操作且省时，并且两光纤段连接后，温度对第一光纤段与第二光纤段的影响可以达到平衡。但是如果将连接段也敷设在环氧树脂胶水层内，那么当一光纤段受到的温度较高时，其通过连接段向另一光纤段进行热传导，由于两光纤段所受温差较小且从一光纤段到另一光纤段的传导距离较远，因而需要较长的时间才能达到热平衡。为此，本发明仅第一光纤段和第二光纤段包裹在环氧树脂胶水层内，连接段处于实际环境中，未包裹在环氧树脂胶水层内，这样处于实际环境中的连接段所受温度将远远大于两光纤段所受温度，当相比于第一光纤段，第二光纤段所受温度更高时，连接段会将较少的热量传导至该第二光纤段，而将较多的热量传导至第一光纤段，由于连接段与两光纤段的温差较大且热传导距离较短，因此可以快速地实现两光纤段的热传导平衡，使温度对两光纤段的影响达到实时相同。此外，在涂覆环氧树脂胶水层时宽度和厚度要均匀，以保证应力传递均匀，从而使波长漂移值的测量更加准确。
在搭建好测试系统后，激光探测仪开始对信号进行采集，在初始状态下，待测物并未发生形变，此时激光探测仪向光纤提供激光信号，并基于光纤的后向瑞利散射效应，采集获得参考信号，将该参考信号发送给处理装置。在测量状态下，通常待测物已发生形变，同样激光探测仪向光纤提供激光信号，并基于光纤的后向瑞利散射效应，采集获得测量信号，将该测量信号发送给处理装置。
处理装置在接收到参考信号和测量信号后，对所述参考信号和测量信号做时频域转换和互相关运算，得到所述光纤上各处的波长漂移值。由于该过程属于现有技术，在此不再予以赘述。由于波长漂移是由温度变化和应力变化共同影响的，而温度对第一光纤段和第二光纤段的影响相同，对应造成的波长漂移值均为S，当待测物3上某位置处向第一光纤段21侧发生弯曲时，在该位置处的第一光纤段21拉伸，对应造成的波长漂移值为正，即+ΔS；对应地在该位置处的第二光纤段22压拢，对应造成的波长漂移值为负，即-ΔS。可见，当对应温度下，待测物3上某个位置处向第一光纤段21侧发生弯曲时，第一光纤段21在该对应位置处测量得到的波长漂移值为S+ΔS，第二光纤段22在该对应位置处测量得到的波长漂移值为S-ΔS。为了消除温度对光纤测量的影响，只要将第一光纤段21在该位置处的波长漂移值减去第二光纤段22在该位置处的波长漂移值，就可以得到两倍的因应力变化造成的波长漂移值，将该相减得到的值除以2，即为在该位置处完全因应力变化造成的波长漂移值。由此，处理装置在得到光纤上各处的波长漂移值后，可以针对所述第一光纤段与第二光纤段在所述待测物上的各个对应位置，将所述第一光纤段在对应位置处的波长漂移值减去所述第二光纤段在对应位置处的波长漂移值，并将相减得到的波长漂移值除以二，获得所述光纤在该对应位置处的波长漂移值，即光纤在对应位置处仅因应力变化造成的波长漂移值。
处理装置在获得光纤在各个对应位置处的波长漂移值后，可以根据所述光纤在各个对应位置处波长漂移值计算出对应的弯曲曲率。由于光纤仅受应力变化所造成的波长漂移值ΔλB与应力ε的关系可以表示为：
且对于圆截面细长弹性体(即光纤)，其弯曲曲率κ与应力ε的关系可以表示为：
由此，可以推到得出光纤的弯曲曲率κ与波长漂移值ΔλB的关系为：
处理装置根据弯曲曲率κ与波长漂移值ΔλB的关系表达式，可以计算出光纤在各个位置处对应的弯曲曲率。处理装置在确定光纤在各个对应位置处的波长漂移值和弯曲曲率后，可以重构出光纤的形状。
由上述实施例可见，本发明通过将同一条光纤的两光纤段重叠对应设置在待测物的上下两面，对两光纤采集到的信号进行关联处理，可以消除温度对曲率测量的影响，从而使得物体应变形状重构时的准确度较高。
另外，所述光纤2的直径越大，可测量的弯曲曲率越小。其中所述光纤2的直径可以为0.4mm。所述待测物3的厚度越厚，可测量的弯曲曲率越小。其中，所述待测物3的厚度为0.1mm～0.3mm，宽度为0.01m～0.02m且其可以为弹簧钢。参见图3所示，为本发明任意形状的重构结果图。重构形状与实际形状比较，重构误差为0.6901％。参见图4，为本发明温度不敏感测试结果图。本发明采用OFDR测试系统，重构拟合出传感测试光纤的形状，测量精度在8％以下，并且测量对温度不敏感。最大应变测量范围达到-3000με至3000με。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (4)
1.一种温度不敏感的光纤形状重构系统，其特征在于，包括激光探测仪、光纤、待测物和处理装置，所述光纤包括第一光纤段、第二光纤段和连接段，所述第一光纤段固定在所述待测物的上表面上，第二光纤段固定在所述待测物的下表面上且与所述第一光纤段重叠对应，所述第一光纤段的第一端与所述激光探测仪连接，另一端通过所述连接段与所述第二光纤段连接；
所述激光探测仪向所述光纤提供激光信号，基于后向瑞利散射效应，采集获得所述待测物在初始状态下的参考信号以及在测量状态下的测量信号；
所述处理装置对所述参考信号和测量信号做时频域转换和互相关运算，得到所述光纤上各处的波长漂移值，针对所述第一光纤段与第二光纤段在所述待测物上的各个对应位置，将所述第一光纤段在对应位置处的波长漂移值减去所述第二光纤段在对应位置处的波长漂移值，并将相减得到的波长漂移值除以二，获得所述光纤在该对应位置处的波长漂移值，并且根据所述光纤在各个对应位置处波长漂移值计算出对应的弯曲曲率，从而根据所述光纤在各个对应位置处的波长漂移值和弯曲曲率，重构出光纤的形状；所述光纤为普通的单模光纤；
所述第一光纤段和第二光纤段铺设在所述待测物上后，对所述第一光纤段和第二光纤段及其周边的待测物区域涂覆环氧树脂胶水层，以将所述第一光纤段和第二光纤段固定在所述待测物上，其中环氧树脂胶水层的厚度大于或者等于所述光纤的直径，仅第一光纤段和第二光纤段包裹在环氧树脂胶水层内，连接段处于实际环境中，以快速地实现两光纤段的热传导平衡，使温度对两光纤段的影响达到实时相同；所述激光探测仪为可调谐扫频激光器，可调谐扫频激光器基于OFDR光频域反射技术进行信号采集；
所述待测物的厚度越厚，可测量的弯曲曲率越小；
通过将同一条光纤的两光纤段重叠对应设置在待测物的上下两面，对两光纤采集到的信号进行关联处理，消除温度对曲率测量的影响，从而使得物体应变形状重构时的准确度较高。
2.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤形状重构系统，其特征在于，所述光纤横截面的直径越大，可测量的弯曲曲率越小。
3.根据权利要求2所述的温度不敏感的光纤形状重构系统，其特征在于，所述光纤的直径为0.4mm。
4.根据权利要求1所述的温度不敏感的光纤形状重构系统，其特征在于，所述待测物的厚度为0.1mm～0.3mm。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20231129 Address after: No. 888, Section 2, Chenglong Avenue, Damian Street, Chengdu Economic and Technological Development Zone (Longquanyi District), Sichuan Province, 610101, Building 56, 4th Floor, No.1 Patentee after: Chengdu Taco Optoelectronic Technology Co.,Ltd. Patentee after: Chongqing Take Zhigan Technology Co.,Ltd. Address before: 610100 No.1, Floor 4, Building 56, No. 888, Section 2, Chenglong Avenue, Damian Street, Chengdu Economic and Technological Development Zone (Longquanyi District), Sichuan Patentee before: Chengdu Taco Optoelectronic Technology Co.,Ltd. |
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