CN114166118A - 一种光纤形状传感布置角度自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种光纤形状传感布置角度自校准方法，包括如下步骤：定义形状测量时同一测点光纤布置角度α_ij与应变ε_ij的关系式；将传感器弯曲任意角度得到各个光纤布置点测得应变值ε_ij；在一定范围内分别选取同一截面不同的布置角度α_ij与测得应变值ε_ij进行公式拟合，得到相应拟合公式；将选取的布置角度α_ij代入到对应的拟合公式中，得到理论的应变值ε_ij’；将理论的应变值ε_ij’与实际测得该处应变值ε_ij进行比较，满足最优化条件时得到测量点处的实际布置角度。本发明在不需要控制其他实验条件的情况下得到光纤布置角度，避免了传统标定过程中因为实验装置和人为操作带来的影响，提高了标定速度，降低了形状重构误差。

Description

一种光纤形状传感布置角度自校准方法

技术领域

本发明涉及三维形状传感领域，具体涉及一种光纤形状传感布置角度自校准方法。

背景技术

光纤形状传感技术是近年来发展起来的新型形状传感技术，是通过光纤感知自身因形状变化产生的差异化响应完成对被测对象形状和空间位置的测量，由于其结构简单、易集成、高精度、生物兼容性和小尺寸等优点，逐渐应用于如医疗微创介入手术导管位置追迹、航天领域关键结构体形态测量、长距离管道及缆线变形监测等场合，在高精度等条件下表现出较大的应用潜力。

在光纤用于空间曲率测量过程中，大多采用光纤合束方案和多芯光纤方案。光纤传感系统测量结果除了与弯曲和扭转相关之外，还受到光纤的布置角度的偏差的影响。光纤合束方案需要将光纤人工粘贴到待测物表面，不可避免的会出现实际所处粘贴位置会与理论布置位置存在误差的情况，多芯光纤方案在纤芯的制作加工过程中时同样会存在误差，如长飞公司生产的七芯光纤芯间角度误差在3°-5°左右。这些测点处光纤的位置误差会影响后续三维形状重构的曲率以及弯曲方向计算，影响光纤形状传感器的形状重建精度。

传统的校准方法常采用基于模板的方法和基于负载的方法，基于模板的方法是将针放入刻有一定形状凹槽的模板中进行标定，不仅需要设计制作模板，而且还需要控制实验条件来进行人为重复性标定，还会额外引入人为操作误差。基于载荷的方法是通过施加载荷后通过图像处理或电磁跟踪获得形状，但是形状采集过程的误差较大。为了解决以上问题，所以需要一种新的光纤传感器位置校准方式。

发明内容

本发明的目的：解决该技术问题【把解决的技术问题明确写出来】而提供了一种光纤形状传感布置角度自校准方法。

本发明提供的一种光纤形状传感布置角度自校准方法，包括以下步骤：【参照权利要求修改】

步骤一、根据传感器的几何模型确定在同一测点处同一截面光纤的布置角度(α_i1、α_i2、α_i3...)与对应点处的应变(ε_i1、ε_i2、ε_i3...)的关系式为ε_ij＝f(α_ij)，i表示不同测点，j表示同一测点处不同布置角度的光纤；

步骤二、将光纤形状传感器任意弯曲一定角度，将变形引起光纤波长产生的偏移量转换为各个待测点应变数据(ε_i1、ε_i2、ε_i3...)；

步骤三、在一定范围内分别选取各个测点位置同一截面不同的布置角度(α_i1、α_i2、α_i3...)与步骤二中对应的应变值(ε_i1、ε_i2、ε_i3...)按照ε_ij＝f(α_ij)进行公式拟合，得到相应拟合公式；

步骤四、将步骤三中选取的布置角度(α_i1、α_i2、α_i3...)代入到对应的拟合公式中，得到理论的应变值(ε_i1’、ε_i2’、ε_i3’...)；

步骤五、将步骤四中理论的应变值(ε_i1’、ε_i2’、ε_i3’...)与步骤二中实际测得对应的应变值(ε_i1、ε_i2、ε_i3...)进行比较，不满足输出条件时，改变输入的布置角度(α_i1、α_i2、α_i3...)，重复步骤二到步骤五，满足输出条件时对应的布置角度为该处的实际布置角度。

根据本发明的至少一个实施方式，所述步骤一中，同一截面不同光纤布置角度是将其中一个光纤布置位置作为位置零点的相对值；

根据本发明的至少一个实施方式，所述同一测点的光纤的布置角度和应变数量大于等于2，具体为j＝1,2,…n n≥2；

根据本发明的至少一个实施方式，所述步骤五中，输入布置角度(α_i1、α_i2、α_i3...)的选取以及输出条件的确认是按照最优化方法模型进行确定；

本发明至少存在以下有益技术效果：

本发明提供一种光纤形状传感布置角度自校准方法，对光纤加工布置过程中产生的位置误差进行了校准，能够不需要控制实验条件，一次性标定出所有的位置信息，进而提高形状重构的精度。该校准方法相较于传统的方法，不需要人为的重复性标定，不需要将使用中的传感器取下，降低了标定难度，提高了形状重构的精度。

附图说明

图1为本发明一种光纤形状传感布置角度自校准方法的流程图；

图2为本发明实施例中一种基于光纤的光纤形状重构布置位置图；

图3为本发明实施例中光纤光栅测得应变与布置角度的拟合图；

图4为本发明实施例中光栅位置误差导致曲率误差以及使用本发明校准后示意图；

图5为本发明实施例中光栅位置误差导致弯曲方向误差以及使用本发明校准后示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种光纤形状传感布置角度自校准方法，实现了对光纤形状传感器中光纤位置的校准。

光纤形状传感系统最常见的一种布置方式是在每个测量点处三个光纤光栅形状传感器或者纤芯间隔120°粘贴在待测物表面，如图2所示，当待测物弯曲形变时，可以测得各传感点处的应变。以此传感器结构为例进行说明，在外界温度无变化时，根据传感器的几何模型确定可以得到同一截面光纤光栅传感器测得的应变值与布置位置之间的关系式为：

其中，ε₁、ε₂和ε₃分别为三个光纤光栅测得的实际应变值，k为该节点处的曲率，d为半径，θ为弯曲方向与光纤光栅1的夹角，α₁、α₂和α₃为光纤光栅布置角度。

光纤光栅测得的应变值与布置角度为正弦关系，以光纤光栅1为位置零点，则理论上光纤光栅的理论位置为α₁＝0°、α₂＝-2π/3和α₃＝2π/3，将传感器弯曲一定角度，测得该处应变值为ε₁、ε₂和ε₃，在α₁＝0°、-5π/6≤α₂≤-π/2和π/2≤α₃≤5π/6区间内按照遗传算法的规律选取后与应变值ε₁、ε₂和ε₃按照余弦函数进行拟合，拟合函数为ε＝AcosB，拟合结果如图3所示。将α₁＝0°和每次选取的α₂和α₃代入拟合函数得到理论应变值ε′₁、ε′₂和ε′₃，适应度函数选取

和拟合函数时的判定系数R²来共同判定，当适应度函数取最小值时，此时输出的为光纤光栅的实际布置位置。以此类推，就可以得到传感器各个测量点的光纤光栅的实际布置位置。对应的ε′₁、ε′₂和ε′₃为该点的理论应变值，由于光纤光栅测得应变值与波长漂移的关系如下所示：

令计算应变等于实际应变，即ε₁＝ε′₁、ε₂＝ε′₂、ε₃＝ε′₃则可以计算出测量节点处的曲率和弯曲方向：

为了验证算法的效果，选择了单个测量点进行仿真，在仿真实验中，令ΔT＝0，k＝0.1、d＝0.01m、θ＝30°作为实际情况，设置光纤光栅的布置角度误差范围0-30°，分别用常规算法以及本文所述算法进行位置校准后进行计算，曲率和弯曲方向的计算结果的误差如图4和图5所示，可见算法对传感器布置误差导致的曲率和弯曲方向的误差有很好的纠正，提高了三维形状重建精度。

本发明提供一种光纤形状传感布置角度自校准方法，用以对光纤形状传感器中因加工布置过程中产生的测点处光纤的布置位置进行校准，提高了形状重构的精度。该校准方法相较于传统的方法，不需要人为的重复性实验标定，精度更高，能够一次性计算出所有光纤的布置位置。

综上所述：本申请属于光纤形状传感技术领域，特别涉及一种光纤在形状传感器中布置角度的自校准方法，包括如下步骤：定义形状测量时同一测点光纤布置角度α_ij与应变ε_ij的关系式；将传感器弯曲任意角度得到各个光纤布置点测得应变值ε_ij；在一定范围内分别选取同一截面不同的布置角度α_ij与测得应变值ε_ij进行公式拟合，得到相应拟合公式；将选取的布置角度α_ij代入到对应的拟合公式中，得到理论的应变值ε_ij’；将理论的应变值ε_ij’与实际测得该处应变值ε_ij进行比较，满足最优化条件时得到测量点处的实际布置角度。本发明所述方法，在不需要控制其他实验条件的情况下得到光纤布置角度，避免了传统标定过程中因为实验装置和人为操作带来的影响，提高了标定速度，降低了形状重构误差。

Claims (4)

1.一种光纤形状传感布置角度自校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据传感器的几何模型确定在同一测点处同一截面光纤的布置角度α_i1、α_i2、α_i3...α_in与对应点处的应变值ε_i1、ε_i2、ε_i3...ε_in的关系式为ε_ij＝f(α_ij)，i表示不同测点，j表示同一测点处不同布置角度的光纤，n表示光纤形状传感器的数量；

步骤二：将光纤形状传感器朝任意方向弯曲任意角度，保持位置不变，测得变形引起光纤波长产生的变化量，转换为各个待测点应变数据ε_i1、ε_i2、ε_i3...ε_in；

步骤三：在误差范围内分别选取各个测点位置同一截面不同的布置角度α_i1、α_i2、α_i3...α_in与步骤二中对应的应变值ε_i1、ε_i2、ε_i3...ε_in按照ε_ij＝f(α_ij)进行公式拟合，得到相应拟合公式；

步骤四：将步骤三中选取的布置角度α_i1、α_i2、α_i3...α_in代入到对应的拟合公式中，得到理论的应变值ε_i1’、ε_i2’、ε_i3’...ε_in’；

步骤五：将步骤四中理论的应变值ε_i1’、ε_i2’、ε_i3’...ε_in’与步骤二中实际测得对应的应变值ε_i1、ε_i2、ε_i3...ε_in进行比较，不满足输出条件时，改变输入的布置角度α_i1、α_i2、α_i3...α_in，重复步骤三到步骤五，满足输出条件时对应的布置角度为该处的实际布置角度。

2.根据权利要求1所述的光纤形状传感布置角度自校准方法，其特征在于，所述步骤一中，同一截面不同光纤布置角度是将其中一个光纤布置位置作为位置零点的相对值。

3.根据权利要求1所述的光纤形状传感布置角度自校准方法，其特征在于，所述同一测点处同一截面光纤的布置角度和对应点处的应变数量大于等于2，具体为j＝1,2,…n n≥2。

4.根据权利要求1所述的光纤形状传感布置角度自校准方法，其特征在于，所述步骤五中，输入布置角度α_i1、α_i2、α_i3...α_in的选取以及输出条件的选取按照最优化方法模型进行确定。

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