CN113533345B - 一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统和方法。包括光源、输入端2×2光耦合器、输出端2×2光耦合器、输入端光电探测器、输出端光电探测器和单模光纤；光源输出端连接到输入端2×2光耦合器一侧的一端，输入端2×2光耦合器一侧的另一端和输入端光电探测器连接，输入端2×2光耦合器另一侧的一端经单模光纤和输出端2×2光耦合器一侧的一端连接，单模光纤紧密缠绕在待监控物体的表面，输出端2×2光耦合器另一侧的一端和输出端光电探测器连接。本发明有效实现了光时域反射计在监测物体表面断裂位置的监测，解决了航空航天领域中造价昂贵、重量大、系统稳定性差、信噪比低、对光源要求高等困难和问题。

Description

一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统和方法

技术领域

本发明涉及如何实现对物体表面断裂位置与时间的测量，尤其是一种基于光纤的物体表面断裂位置监测系统和方法。

背景技术

空天飞行器在飞行过程中所经历的动力学环境是非常复杂的，在航空航天领域中，其受到的脉动压力赋值一般为130～170dB，且频率范围较宽，会使得飞行器结构振动疲劳甚至破坏。在实际的空天飞行器设计过程中，即使进行严格的实验计算，也无法检测出实际会发生的断裂问题，结构也可能会产生微裂纹，导致材料的力学特性下降从而使得材料断裂。因此，当空天飞行器的结构失效发生损毁时，其初始表面断裂位置的精确检测对于该种型号的飞行器结构进一步设计有重要的指导意义，同时有助于空天飞行器结构设计的进一步发展。

传统的通过光纤对物体表面断裂位置的检测通常采用光时域反射技术，该技术是利用光纤中背向散射的信号，常常被用来进行长距离光纤状态监测和故障诊断。其基本的探测时间可以由下述公式表示：

z＝ct/2n

其中z为光纤距离端点的长度，c为光在真空中的传输速度，n为光纤纤芯折射率。其原理为通过时域信号中各信号点相对于起点的时延定位出事件的位置。

发明人在日常实践过程中，发现背景技术中有如下不足：

1.空天飞行器发生断裂后往往直接损毁，使用而光时域反射技术的造价昂贵，且其重量较大，无法满足飞行器断裂检测的需求。光时域发射计基于背向散射技术，探测信号微弱，信噪比低。

2.面对较高位置精度的需求时，光时域反射技术通常需要高能量窄线宽的脉冲激光，其造价高，且装置在高过载情况下不稳定，无法满足测量空天飞行器断裂位置的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤的物体表面断裂位置监测系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一、一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统：

系统包括光源、输入端2×2光耦合器、输出端2×2光耦合器、输入端光电探测器、输出端光电探测器和单模光纤；光源输出端连接到输入端2×2光耦合器一侧的一端，输入端2×2光耦合器一侧的另一端和输入端光电探测器连接，输入端2×2光耦合器另一侧的一端经单模光纤和输出端2×2光耦合器一侧的一端连接，单模光纤紧密缠绕在待监控物体的表面，输出端2×2光耦合器另一侧的一端和输出端光电探测器连接。

所述的单模光纤以螺旋绕线方式紧贴均匀缠绕在待监控物体的外周面上。

还包括集成运算模块和数据存储装置，输入端光电探测器、输出端光电探测器均连接到集成运算模块，集成运算模块和数据存储装置通信连接。

作为本发明的再进一步技术方案，所述单模光纤替换为保偏光纤。

所述的待监控物体为类柱体。通常为圆柱体。

具体实施中，所述的待监控物体可以为飞行器的部位或者部件，但不限于此。

对单个待监控物体，设置多组监测系统，多组监测系统的单模光纤分别以不同缠绕方式缠绕在待监控物体上，形成组合式断裂点监测，能够提高检测精度。

二、一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测方法：

所述的光源输出连续光，且功率保持不变，最后由输入端光电探测器、输出端光电探测器分别探测接收获得电信号，根据接收到的电信号判断：

若输入端光电探测器和输出端光电探测器接收到的电信号保持一致、不变，则认为单模光纤未断裂，待监控物体表面未断裂；

若输入端光电探测器和输出端光电探测器接收到的电信号均具有一个断裂响应信号，且波形相反，则认为单模光纤断裂，待监控物体表面断裂。

所述的输入端光电探测器断裂响应信号具体为断裂前为低电平，断裂后为高电平，断裂过程中产生随机波动的波形，输出 端光电探测器断裂响应信号具体为断裂前为高电平，断裂后为低电平，断裂过程中产生随机波动的波形，输入端光电探测器断裂响应信号与输出端光电探测器断裂响应信号具有时域相关性。

这样在光经过单模光纤时候，待监控物体表面是否断裂情况会导致单模光纤传输光的影响不同，进而通过接收输入端光电探测器、输出端光电探测器所探测到信号的变化判断待监控物体表面是否断裂。

单模光纤断裂位置按照以下方式处理获得：

首先，按照以下公式根据输入端光电探测器、输出端光电探测器分别探测接收的电信号实时计算互相关函数R₄₅：

其中，τ为时间延时参数，R₄₅(τ)表示输入端光电探测器采集到的电信号和输出端光电探测器采集到的电信号之间的互相关函数，P₄(t)表示输入端光电探测器断裂响应信号，P₅(t)表示输出端光电探测器断裂响应信号，t表示测量时间；

R₄₅(τ)的最大值表示P₄(t)信号与P₅(t)信号在该时间延时参数τ有最强的相关性，波形匹配程度最高，计算互相关函数P₄₅(τ)的最大值对应的时间延时参数τ作为输入端光电探测器和输出端光电探测器采集信号的时间差τ₀；

最后，通过如下公式计算单模光纤的断裂位置l：

l＝L/2-cτ₀/2n

其中，l表示单模光纤的断裂位置，L表示单模光纤的总长度，n表示单模光纤纤芯的折射率；τ₀表示输入端光电探测器和输出端光电探测器采集信号的时间差，c表示光在真空中传播速度。

所述的待监控物体为圆柱体，且单模光纤以螺旋缠绕方式均匀缠绕，通过下述公式根据单模光纤的断裂位置l获得待监控物体的断裂位置：

x_m＝l/2-cτ₀ sinθ/2n

y_m＝l tanθ/2-cτ₀ cosθ/2n-2kπr

θ＝arctan d/2πr

其中，θ表示单模光纤缠绕倾角，k为待监控物体断裂位置之前的单模光纤所绕的圈数；n为单模光纤纤芯的折射率，c为光在真空中传播速度，r为待监控物体的圆柱体的半径，d为光纤单螺旋缠绕的间隔，x_m、y_m分别表示待监控物体断裂位置在圆柱体的外周面上沿轴向、周向的坐标位置。

当r>10d时，通过下述公式获得待监控物体的断裂位置：

其中，a为单模光纤的轴向长度，d为单模光纤在待监控物体表面螺旋缠绕时候相邻两圈之间的间隔距离，

表示向上取整函数，

表示向下取整函数。

本发明的光源使用连续激光器，通过采取光纤缠绕在待测物体表面，利用输入端和输出端光电探测器测量断裂时输入端与输出端的断裂响应信号解算物体断裂位置的方法。所述输入端信号为输入端光电探测器在探测到光纤断裂时采集到的响应信号，所述输出端信号为输出端光电探测器在探测到光纤断裂时采集到的响应信号。

本发明的有益效果是：

由于采取了上述技术手段，所以，有效解决了背景技术光时域反射计造价昂贵、重量大的问题，同时满足在大型物体表面的空间精确定位与光纤线圈的物体表面全覆盖的要求。

本发明有效解决了对高功率，短时长的脉冲激光器的需求，增加了结构断裂位置监测系统的可靠性。提高了光电探测器的信噪比，增加了对物体结构表面探测位置精度的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：物体表面断裂位置实时监测系统图；

图2：一种可能的光纤在物体表面的缠绕方式；

图3：输入端光电探测器4接收信号的波形示意图；

图4：输出端光电探测器5接收信号的波形示意图；

图5：输入端光电探测器4和输出端光电探测器5互相关函数波形示意图；

图6：光纤断裂点时，两光电探测器测量时间差产生示意图；

图7：在一般情况下，待监控物体为圆柱体断裂位置解算示意图；

图8：在r>10d情况下时，待监控物体为圆柱体断裂位置解算示意图。图 9：组合式断裂点监测系统图。

图中：光源(1)、输入端2×2光耦合器(2)、输出端2×2光耦合器(3)、输入端光电探测器(4)、输出端光电探测器(5)、集成运算模块(6)、数据存储装置(7)、单模光纤(8)、待监控物体(9)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，装置包括光源1、输入端2×2光耦合器2、输出端2×2光耦合器3、输入端光电探测器4、输出端光电探测器5和单模光纤8；光源1输出端连接到输入端2×2光耦合器2一侧的一端，输入端2×2光耦合器2一侧的另一端和输入端光电探测器4连接，输入端2×2光耦合器2另一侧的一端经单模光纤8和输出端2×2光耦合器3一侧的一端连接，单模光纤8的两端分别焊接到输入端2×2光耦合器2、输出端2×2光耦合器3上，输出端2×2光耦合器 3另一侧的一端和输出端光电探测器5连接，输入端2×2光耦合器2另一侧的另一端、输出端2×2光耦合器3一侧的另一端和输出端2×2光耦合器3另一侧的另一端均作为空端口，焊接尾纤。

如图2所示，其中的单模光纤8以螺旋绕线方式紧密均匀缠绕在待监控物体9的表面，表面为外周面；由于紧密缠绕，待监控物体9的表面断裂导致单模光纤8发生断裂，通过检测单模光纤8断裂进而表征为待监控物体9的表面断裂。在实际应用过程中，可以预先将单模光纤8埋入待监控物体9的内表面，以保证待监控物体9外观结构的整体性，同时可以降低环境如温度等的其他变量对背向散射强度的影响。

光源1发出光，经输入端2×2光耦合器2输入到单模光纤8中，经待监控物体9表面是否断裂影响的单模光纤8传输后输入到输出端2×2光耦合器3中，再经输出端2×2光耦合器3输入到输出端光电探测器5中，输入端光电探测器 4、输出端光电探测器5分别探测接收获得信号。

还包括集成运算模块6和数据存储装置7，输入端光电探测器4、输出端光电探测器5均连接到集成运算模块6，集成运算模块6和数据存储装置7通信连接。由集成运算模块6控制接收输入端光电探测器4、输出端光电探测器5探测到的信号。集成运算模块可与计算机连接。

具体实施中，对单个待监控物体9，设置多组监测系统，多组监测系统的单模光纤8分别以不同缠绕方式缠绕在待监控物体9上，形成组合式断裂点监测，能够提高检测精度。

本发明的实施例及其实施工作过程如下：

光源1输出连续光，且功率保持不变，最后由输入端光电探测器4、输出端光电探测器5分别探测接收获得电信号，根据接收到的电信号判断：

在光纤未发生断裂时，输入端光电探测器4和输出端光电探测器5接收到的电信号在短时保持一致、不变，其波形示意图分别为图3中0-t_bs时间段和图4中0-t_as时间段。因此若输入端光电探测器4和输出端光电探测器5接收到的电信号保持一致、不变，则认为单模光纤8未断裂，待监控物体9表面未断裂；

在光纤发生断裂时，输入端光电探测器4采集到的电信号产生一个断裂响应信号，如图3，t_bs-t_bn时间段内波形所示，同时输出端光电探测器5采集到的电信号产生一个反向断裂响应信号，如图4，t_as-t_an时间段内波形所示，记录采集两个信号的波形进行判断。因此若输入端光电探测器4和输出端光电探测器5接收到的电信号均具有一个断裂响应信号，且波形相反，则认为单模光纤8断裂，待监控物体9表面断裂。

单模光纤8断裂位置按照以下方式处理获得：

首先，如图5所示，按照以下公式根据输入端光电探测器4、输出端光电探测器5分别探测接收的电信号实时计算互相关函数R₄₅，即将上述输入端光电探测器得到的断裂响应信号与输出端光电探测器采集到的反向的断裂相应信号进行互相关运算：

其中，τ为时间延时参数，R₄₅(τ)表示输入端光电探测器4采集到的电信号和输出端光电探测器5采集到的电信号之间的互相关函数，具体含义为P₄(t)与 P₅(t)在不同时间延时参数τ的相关性，P₄(t)表示输入端光电探测器(4)断裂响应信号，P₅(t)表示输出端光电探测器(5)断裂响应信号，t表示测量时间；

然后，如图6所示，R₄₅(τ)的最大值表示P₄(t)信号与P₅(t)信号在该时间延时参数τ有最强的相关性，波形匹配程度最高，计算互相关函数R₄₅(τ)的最大值对应的时间延时参数τ作为输入端光电探测器和输出端光电探测器采集信号的时间差τ₀；

最后，通过如下公式计算单模光纤8的断裂位置l：

l＝L/2-cτ₀/2n

其中，l表示单模光纤8的断裂位置，L表示单模光纤8的总长度，n表示单模光纤8纤芯的折射率；τ₀表示输入端光电探测器4和输出端光电探测器5采集信号的时间差，c表示光在真空中传播速度，c＝299792458m/s。

如图7所示，待监控物体9为圆柱体，且单模光纤8以螺旋缠绕方式均匀缠绕，通过下述公式根据单模光纤8的断裂位置l获得待监控物体9的断裂位置：

x_m＝l/2-cτ₀ sinθ/2n

y_m＝l tanθ/2-cτ₀ cosθ/2n-2kπr

θ＝arctan d/2πr

其中，θ表示单模光纤8缠绕倾角，k为待监控物体9断裂位置之前的单模光纤8所绕的圈数，满足y_m>0条件下的最大整数；n为单模光纤8纤芯的折射率，c为光在真空中传播速度，r为待监控物体9的圆柱体的半径，d为光纤单螺旋缠绕的间隔，x_m、y_m分别表示待监控物体9断裂位置在圆柱体的外周面上沿轴向、周向的坐标位置。

如图8所示，当r>10d时，通过下述公式获得待监控物体9的断裂位置：

其中，a为单模光纤8的轴向长度，d为单模光纤8在待监控物体9表面螺旋缠绕时候相邻两圈之间的间隔距离，即相当于螺距；

表示向上取整函数，

表示向下取整函数。

作为光纤的物体表面断裂位置实时监测系统更加精确的测量方案，可以对单个物体采取多组基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统，并对光纤以不同方法缠绕，形成组合式断裂点监测系统。

如图9所示，上下两图表示同一个待监控物体9，以两组本发明系统组合缠绕。对于两组组合式断裂点监测系统，在材料表面断裂位置处会同时产生两组断裂信号，通过上述方法解析，可以得到单模光纤8的断裂位置分别为l₁,l₂，由于在实际采样过程中带有一定的采样时间间隔Δt，因此单模光纤8的在缠绕方式1和缠绕方式2的实际断裂位置分别为l_1m＝l₁±Δl，l_2m＝l₂±Δl。其中Δl为采样时间间隔Δt对应的光在光纤中的长度，称为光纤采样间隔Δl。

通过实际断裂位置l_1m和l_2m的范围可以按照本发明方法得到对应的待监控物体9断裂位置在圆柱体的外周面上在缠绕方式1和缠绕方式2沿轴向、周向的坐标位置范围组(x_1m，y_1m)，(x_2m，y_2m)，其中x_1m，y_1m，x_2m，y_2m分别称为缠绕方式1的轴向、周向的坐标位置与缠绕方式2的轴向、周向坐标位置。同时由于缠绕方式不同，将两组坐标范围的唯一重合点，即为物体表面的实际断裂位置点。

由此，本发明通过采用连续光输入，通过计算所述两个断裂响应信号的互相关序列，解算出两个探测器的测量时间差，确定物体表面断裂位置的方法，有效实现了光时域反射计在监测物体表面断裂位置的监测，解决了光时域反射计在航空航天领域中造价昂贵、重量大、系统稳定性差、信噪比低、对光源要求高等困难和问题。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统，其特征在于：包括光源(1)、输入端2×2光耦合器(2)、输出端2×2光耦合器(3)、输入端光电探测器(4)、输出端光电探测器(5)和单模光纤(8)；光源(1)输出端连接到输入端2×2光耦合器(2)一侧的一端，输入端2×2光耦合器(2)一侧的另一端和输入端光电探测器(4)连接，输入端2×2光耦合器(2)另一侧的一端经单模光纤(8)和输出端2×2光耦合器(3)一侧的一端连接，单模光纤(8)紧密缠绕在待监控物体(9)的表面，输出端2×2光耦合器(3)另一侧的一端和输出端光电探测器(5)连接；

所述的待监控物体为飞行器的部位或者部件；

所述的单模光纤(8)以螺旋绕线方式紧贴均匀缠绕在待监控物体(9)的外周面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统，其特征在于：还包括集成运算模块(6)和数据存储装置(7)，输入端光电探测器(4)、输出端光电探测器(5)均连接到集成运算模块(6)，集成运算模块(6)和数据存储装置(7)通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统，其特征在于：所述单模光纤(8)替换为保偏光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统，其特征在于：所述的待监控物体(9)为类柱体。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测系统，其特征在于：对单个待监控物体(9)，设置多组监测系统，多组监测系统的单模光纤(8)分别以不同缠绕方式缠绕在待监控物体(9)上，形成组合式断裂点监测，能够提高检测精度。

6.应用于权利要求1-4任一所述监测系统的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测方法，其特征在于：所述的光源(1)输出连续光，且功率保持不变，最后由输入端光电探测器(4)、输出端光电探测器(5)分别探测接收获得电信号，根据接收到的电信号判断：若输入端光电探测器(4)和输出端光电探测器(5)接收到的电信号保持一致、不变，则认为单模光纤(8)未断裂，待监控物体(9)表面未断裂；若输入端光电探测器(4)和输出端光电探测器(5)接收到的电信号均具有一个断裂响应信号，且波形相反，则认为单模光纤(8)断裂，待监控物体(9)表面断裂；

所述的单模光纤(8)断裂位置按照以下方式处理获得：

首先，按照以下公式根据输入端光电探测器(4)、输出端光电探测器(5)分别探测接收的电信号实时计算互相关函数R₄₅：

其中，τ为时间延时参数，R₄₅(τ)表示输入端光电探测器(4)采集到的电信号和输出端光电探测器(5)采集到的电信号之间的互相关函数，P₄(t)表示输入端光电探测器(4)断裂响应信号，P₅(t)表示输出端光电探测器(5)断裂响应信号，t表示测量时间；

R₄₅(τ)的最大值表示P₄(t)信号与P₅(t)信号在该时间延时参数τ有最强的相关性，波形匹配程度最高，计算互相关函数R₄₅(τ)的最大值对应的时间延时参数τ作为输入端光电探测器和输出端光电探测器采集信号的时间差τ₀；

最后，通过如下公式计算单模光纤(8)的断裂位置l：

l＝L/2-cτ₀/2n

其中，l表示单模光纤(8)的断裂位置，L表示单模光纤(8)的总长度，n表示单模光纤(8)纤芯的折射率；τ₀表示输入端光电探测器(4)和输出端光电探测器(5)采集信号的时间差，c表示光在真空中传播速度。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测方法，其特征在于：所述的待监控物体(9)为圆柱体，且单模光纤(8)以螺旋缠绕方式均匀缠绕，通过下述公式根据单模光纤(8)的断裂位置l获得待监控物体(9)的断裂位置：

x_m＝l/2-cτ₀sinθ/2n

y_m＝l tanθ/2-cτ₀ cosθ/2n-2kπr

θ＝arctan d/2πr

其中，θ表示单模光纤(8)缠绕倾角，k为待监控物体(9)断裂位置之前的单模光纤(8)所绕的圈数；n为单模光纤(8)纤芯的折射率，c为光在真空中传播速度，r为待监控物体(9)的圆柱体的半径，d为光纤单螺旋缠绕的间隔，x_m、y_m分别表示待监控物体(9)断裂位置在圆柱体的外周面上沿轴向、周向的坐标位置。

8.根据权利要求7所述的一种基于光纤的物体表面断裂位置实时监测方法，其特征在于：当r＞10d时，通过下述公式获得待监控物体(9)的断裂位置：

l＝L/2-cτ₀/2n，

其中，a为单模光纤(8)的轴向长度，d为单模光纤(8)在待监控物体(9)表面螺旋缠绕时候相邻两圈之间的间隔距离，

表示向上取整函数，

表示向下取整函数。

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