CN115900579A - 一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法，包括：若干可拼接式柔性光纤传感装置，用于测量位移场；若干倾角自感知连接装置，用于可拼接式柔性光纤传感装置之间的连接；光纤解调仪，用于获取可拼接式柔性光纤传感装置的应变数据和倾角自感知连接装置的二轴倾角数据，对传感装置位移数据进行误差修正；可拼接式柔性光纤传感装置之间通过倾角自感知连接装置连接，且连接后的可拼接式柔性光纤传感装置的两端均还连接有倾角自感知连接装置，光纤解调仪与倾角自感知连接装置的自由端的一侧连接。本发明可根据大型结构的尺寸自主拼接长度合适的柔性光纤传感装置，实现大型结构的二维位移场监测。

Description

一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法

技术领域

本发明属于工程结构变形监测技术领域，尤其涉及一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法。

背景技术

随着经济发展，在大型工程结构的施工和运营过程中，包括隧道断面变形、边坡滑移、桥梁挠变等需对关键区域的位移场分布进行实时监测，然而，现有点式位移测量技术仅能获取传感装置布置位置的位移信息，无法获取关键区域的位移场信息（如隧道整体收敛、边坡垂直位移、挠变、垂直沉降），在空间维度上易造成关键信息漏检；全站仪、三维激光扫描仪等尽管能够对上述基础设施表面位移场进行建模，但是难以获取内部位移场变化信息，并且属于周期性检测，在时间维度上难以保证实时监测。因此需要大范围位移场实时传感技术。

光纤材质轻柔，同时可实现(准)分布式组网，因此便于与基体材料结合，利用一根光纤感知基体材料多个点的变形。长期以来，基于光纤的形态感知技术是研究热点，将光纤粘贴或内置在基体材料中，测量各点的应变量，进而反推材料的整体变形，实现位移场的感知。上述技术在医疗和小型结构件领域取得了理想的效果。

然而，在大型基础设施工程关键区域位移场监测中，被测区域范围大、距离长，传感装置覆盖范围可达数十米，在这样的条件下，用于变形场感知的光纤形态传感装置体积大，直接造成传感装置在工程上难安装，易造成光纤的断点，导致传感装置损坏。更重要的是，长距离位移传感极易产生严重的累积误差现象，距离越长，变化形态越复杂，产生的累积误差越大，且极难修正，直接影响传感装置的测量精度，上述问题已成为制约长距离光纤形态传感装置在大型基础设施工程上应用推广的卡脖子难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统及其校正方法，基于可拼接式的柔性光纤传感装置，不仅可以监测结构的累计变形，而且还可以根据大型结构的尺寸自主拼接长度合适的柔性光纤传感装置，其中连接件内置倾角传感装置，既可以监测结构的倾斜和扭转变化，还可以对柔性光纤传感装置所测变形进行修正补偿，实现对大型结构更加精准的位移场监测。

一方面为实现上述目的，本发明提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，包括：一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，包括：可拼接式柔性光纤传感装置、倾角自感知连接装置和光纤解调装置；

所述可拼接式柔性光纤传感装置，用于测量扭转信息和位移场；

所述倾角自感知连接装置，用于所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的连接和测量传感装置之间的倾角和扭转角；

所述光纤解调装置，用于获取所述可拼接式柔性光纤传感装置的应变数据和倾角自感知连接装置的倾角数据和扭转角数据，对所述传感装置的拟合位移场进行误差修正；

若干所述倾角自感知连接装置之间连接若干所述可拼接式柔性光纤传感装置，所述光纤解调仪与所述倾角自感知连接装置的自由端连接。

可选地，所述可拼接式柔性光纤传感装置包括：连接凸台，连接凹槽，固定凹槽，光纤接头储存槽，光纤槽，光纤通道，第一光纤引出孔；

所述连接凸台和所述连接凹槽分别位于所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端，所述连接凸台与所述连接凹槽相适配；

所述可拼接式柔性光纤传感装置的沿环向相等间隔设有3道所述光纤槽，所述可拼接式柔性光纤传感装置的内部中心设有所述光纤通道；

所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端分别对称设置所述固定凹槽和所述第一光纤引出孔，且所述固定凹槽基于所述光纤通道对称分布；

所述光纤槽的内部嵌有应变传感光纤，所述应变传感光纤用环氧树脂密封，用于监测柔性光纤传感装置的位移信息和扭转信息；

在所述光纤槽的两端均还设有所述光纤接头储存槽，所述光纤接头储存槽的深度大于所述光纤槽。

所述光纤通道的内部设有温度补偿光纤，所述温度补偿光纤处于宽松状态，不受应变影响，用于对应变传感光纤温度补偿；

可选地，所述倾角自感知连接装置包括：固定突起，传感装置固定通道，固定部件和倾角自感知模块；

所述倾角自感知连接装置内部设有所述传感装置固定通道，所述传感装置固定通道两侧对称设置的所述固定突起，所述固定突起与述固定凹槽相适配；

所述固定部件位于所述倾角自感知连接装置的两端，用于将所述可拼接式柔性光纤传感装置固定在所述倾角自感知连接装置内部；

所述倾角自感知模块位于所述倾角自感知连接装置的一侧，用于测量所述可拼接式柔性光纤传感装置连接处的倾角数据以及扭转角数据。可选地，所述倾角自感知模块包括腔体，所述腔体表面设置有第二引出光纤孔，所述腔体内侧顶部设置有光纤固定子装置，

安装有光纤固定子装置，所述光纤固定子装置与多芯光纤一端连接，多芯光纤另一端固定连接有一端配重子装置，所述配重子装置用于在所述可拼接式柔性光纤传感装置倾斜时增加光纤弯曲幅度。

可选地，所述多芯光纤包括：一个中心芯和若干外芯，以及在所有纤芯的相同位置处刻上的光纤光栅；

所述中心芯的位置处的光纤光栅，用于温度补偿；

所述外芯的位置处的光纤光栅中任意选择两个与所述中心芯的连线不在一条直线上的光纤光栅，用于获取拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角与倾斜角；所述扭转角为：

其中为纤芯 i的布拉格波长，为纤芯 i的布拉格波长的变化量，表示纤芯 i相对于中立面的角位置，和之间的相位可以是除 π以外的任何值。

所述倾斜角为：

其中，为传感装置的倾斜角，为纤芯 i的布拉格波长，为纤芯 i相对于中立面的角位置，为可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角， R为弯曲半径，为光纤的杨氏模量，为截面面积的二阶矩，为自由光纤的长度，为光栅到固定点的距离，为附加配重球的重量，为重力加速度，为外芯到中心芯的距离。

另一方面为实现上述目的，本发明提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统的校正方法，包括：

构建单个所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库；

基于所述误差补偿库，用于对每个柔性光纤传感装置的所拟合的二维坐标曲线进行误差补偿，对每个传感装置所拟合的位移曲线进行独立校正；

基于预设方式对若干可拼接式柔性光纤传感装置、若干倾角自感知连接装置和光纤解调装置进行拼接，连接完成后，通过所述光纤解调装置获取所述倾角自感知连接装置的倾角和扭转角数据，对拼接后的传感装置所拟合的多个坐标曲线进行整体校正；

进一步地，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库包括：

构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的变形数据库；

基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库；

其中，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的的变形数据库包括：

在测量前，对所述可拼接式柔性光纤传感装置进行预设变形处理，对传感装置不施加扭转，基于所述预设变形处理的结果，构建每一段所述可拼接式柔性光纤传感装置的所述变形数据库；

所述预设变形处理包括：将所述可拼接式柔性光纤传感装置变形分为单端紧固、双端紧固和双端简支三种边界约束条件，对每种约束条件下，考虑中心点与偏心点单点多值加载、两点多值加载和三点多值加载情形，根据应变数据计算不同加载情形的原始曲率数据并记录实测坐标曲线；

基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库包括：

对所述变形数据库中的原始曲率数据使用二维坐标重构算法得到传感装置的二维坐标曲线，并计算此时的所述可拼接式柔性光纤传感装置的坐标曲线误差数据；将不同变形类型的原始曲率数据和坐标曲线误差数据根据加载位移分别进行插值，形成预设数值的数据量，并将坐标曲线误差数据与所述变形数据库中的各类变形的原始曲率数据对应，建立所述误差补偿库。

进一步地，对所述应变数据进行误差补偿包括：

将拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置所测的所述曲率数据与所述变形数据库中的原始曲率数据进行求导，将获取导数曲线的正负匹配度和欧氏距离作为目标函数，采用梯度下降算法从所述误差补偿库中寻找变形形状最为匹配的曲率曲线，并根据库中对应的坐标曲线误差数据，对所测坐标曲线数据进行误差补偿，进而修正所述可拼接式柔性光纤传感装置拟合的曲线。

进一步地，所述倾角自感知连接装置所测二轴倾角数据包括： …；其中，为可拼接式柔性光纤传感装置连接处与水平面的夹角，为可拼接式柔性光纤传感装置连接处的扭转角度，1、2、3…分别为第一个、第二个、第三个…倾角自感知连接装置。

进一步地，基于预设修正方式利用所述传感装置连接处的扭转角和倾斜角对拼接后的传感装置拟合的多个坐标曲线进行扭转误差修正和曲线拼接，包括：

S1.对于第一个所述可拼接式柔性光纤传感装置，若柔性传感装置发生扭转，通过光纤槽内的三根应变传感光缆的应变数据计算出传感装置沿弧长均等分布的扭转数据的集合。因为是从零开始的扭转数据集合，传感装置的扭转数据的总变化量为可以用扭转数据集合的末值表示，所以利用两端连接装置所测的扭转角度和的差值作为即扭转总变化量的参考，得出扭转变化总量较为准确的扭转数据集合。将修正后的扭转数据集合加上，将作为扭转数据集合的起始参考值，得出第一条传感装置较为准确的扭转角数据集合。利用扭转数据集合中的扭转数据可计算得到分离扭转误差的传感装置的曲率数据。

通过曲率数据将拟合的第一条坐标曲线的起点平移到坐标原点，通过优化算法将坐标曲线围绕原点旋转，直至起点的切线角度与所述倾角自感知连接装置所测的倾角相近，以第一条曲线末端切线角度与倾角的差值为目标函数，传感装置根据不同弯曲情况，设置修正系数X1的变化范围，进而从该范围中随机选取一个值作为X1的初始值，将该初始值与第一个可拼接式柔性光纤传感装置的应变曲线相乘，以实时测量的倾角值为优化目标使用优化算法更新应变曲线修正系数X1，直至曲线终点的切线角度与传感装置末端所测倾角相近，完成对第一条坐标曲线的修正。

S2.对于第二段柔性光纤传感装置，通过S1的方法利用和得到第二条柔性光纤传感装置的扭转数据集合，并计算曲率数据，拟合出第二条坐标曲线，将第二条坐标曲线的起点平移拼接到第一条坐标曲线的终点，旋转和调整曲率修正系数X2同时作用使第二条坐标曲线首端和末端的所在切线角度和两端所述倾角自感知连接装置所测倾角和相近，完成对第二条坐标曲线的修正。

S3.依次针对之后的所述可拼接式柔性光纤传感装置的坐标曲线采用所述S1中的扭转误差修正和优化旋转拼接配合曲率修正系数调整的算法，最终构成拼接后所述可拼接式柔性光纤传感装置所测的整体位移曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.传感装置可多段拼接，适用不同测量范围的位移场监测；

2.每一段内传感装置标准化制备，变形可标定，通过每一段的典型位移标定，建立段内位移误差补偿库，实测过程中进行误差补偿，保证每一段传感装置的位移测量精度；

3.通过安装连接位置的倾角自感知连接件进行位移场自校正，提高长距离测量精度，减小累积误差；

4.通过多段拼接，易携带、易安装，成活率高。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统结构示意图；

图2为本发明实施例1的可拼接式柔性光纤传感装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1的可拼接式柔性光纤传感装置的右视图；

图4为本发明实施例1的两段可拼接式柔性光纤传感装置的对接示意图；

图5为本发明实施例1的倾角自感知连接装置的示意图。

图6为本发明实施例1的倾角自感知连接装置连接两段可拼接式柔性光纤传感装置的示意图；

图7为本发明实施例1的倾角自感知连接件的内置倾角传感模块示意图；其中，（a）为倾角传感模块翻开状态下的示意图，（b）为倾角传感模块闭合状态下的示意图；

图8为本发明实施例1的倾角传感模块的多芯光纤截面示意图；

图9为本发明实施例2的可拼接式光纤位移场传感系统位移场拟合与误差修正方法流程示意图；

其中，1、六边形凸台；2、六边形凹槽；3、固定凹槽；4、光纤接头储存槽；5、光纤槽；6、圆孔通道；7、第一光纤引出孔；8、固定突起；9、传感装置固定通道；10、固定子装置；11、倾角自感知模块；12、外壳结构；13、光纤固定子装置；14、多芯光纤；15、配重子装置；16、第二引出光纤孔；17、倾角自感知连接装置；18、可拼接式柔性光纤传感装置；19、光纤解调仪。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例1

本发明提供了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，包括：一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，包括：可拼接式柔性光纤传感装置18、倾角自感知连接装置17和光纤解调装置；

所述可拼接式柔性光纤传感装置18，用于测量位移场；

所述倾角自感知连接装置17，用于所述可拼接式柔性光纤传感装置18之间的连接和测量传感装置之间的倾角和扭转角；所述光纤解调装置，用于获取所述可拼接式柔性光纤传感装置18的应变数据和倾角自感知连接装置17的倾角与扭转角数据，对拼接后的柔性光纤传感装置所测位移场进行修正；

传感装置若干所述倾角自感知连接装置17之间连接若干所述可拼接式柔性光纤传感装置18，所述光纤解调仪19与所述倾角自感知连接装置17的自由端连接。

进一步地，所述可拼接式柔性光纤传感装置18包括：连接凸台，连接凹槽，固定凹槽3，光纤接头储存槽4，光纤槽5，光纤通道，第一光纤引出孔7；

所述连接凸台和所述连接凹槽分别位于所述可拼接式柔性光纤传感装置18的两端，所述连接凸台与所述连接凹槽相适配；

所述可拼接式柔性光纤传感装置18的沿环向相等间隔设有3道所述光纤槽5，所述可拼接式柔性光纤传感装置18的内部中心设有所述光纤通道；

所述可拼接式柔性光纤传感装置18的两端分别对称设置所述固定凹槽3和所述第一光纤引出孔7，且所述固定凹槽3基于所述光纤通道对称分布；

所述光纤槽5的内部嵌有应变传感光纤，所述应变传感光纤用环氧树脂密封；

所述光纤通道的内部设有温度补偿光纤，所述温度补偿光纤处于宽松状态，不受应变影响，用于对应变传感光纤温度补偿；

在所述光纤槽5的两端均还设有所述光纤接头储存槽4，所述光纤接头储存槽4的深度大于所述光纤槽5。

进一步地，所述倾角自感知连接装置17包括：固定突起8，传感装置固定通道9，固定部件和倾角自感知模块11；

所述倾角自感知连接装置17内部设有所述传感装置固定通道9，所述传感装置固定通道9两侧对称设置的所述固定突起8，所述固定突起8与述固定凹槽3相适配；

所述固定部件位于所述倾角自感知连接装置17的两端，用于将所述可拼接式柔性光纤传感装置18固定在所述倾角自感知连接装置17内部；

所述倾角自感知模块11位于所述倾角自感知连接装置17的一侧，用于测量所述可拼接式柔性光纤传感装置18连接处的倾角数据。

进一步地，所述倾角自感知模块11包括腔体，所述腔体表面设置有第二引出光纤孔16，所述腔体内侧顶部设置有光纤固定子装置13，

安装有光纤固定子装置13，所述光纤固定子装置13与多芯光纤14一端连接，多芯光纤14另一端固定连接有一端配重子装置15，所述配重子装置15用于在所述可拼接式柔性光纤传感装置18倾斜时增加光纤弯曲幅度。

进一步地，所述多芯光纤14包括：一个中心芯和若干外芯，以及在所有纤芯的相同位置处刻上的光纤光栅；

所述中心芯的位置处的光纤光栅，用于温度补偿；

所述外芯的位置处的光纤光栅中任意选择两个与所述中心芯的连线不在一条直线上的光纤光栅，用于获取拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置18的倾斜角。

在本实施例中，如图1所示，一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统包括光纤解调仪19、可拼接式柔性光纤传感装置18、倾角自感知连接装置17；所述可拼接式柔性光纤传感装置18采用两步修正法解决累积误差问题，首先，每一段可拼接式柔性光纤传感装置18独立测量位移数据，并采用典型形变分类修正法对位移误差小范围初次修正；其次，采用倾角自感知连接装置17连接不同长度的多段可拼接式柔性光纤传感装置18，并精确测量连接位置的倾角变化和扭转角变化，以连接位置倾角信息和扭转信息对拼接后的长距离光纤位移传感系统进行二次整体误差修正。

在本实施例中，如图1-图4所示，一种可拼接式柔性光纤传感装置，包括：六边形凸台1，六边形凹槽2，固定凹槽3，光纤接头储存槽4，光纤槽5，圆孔通道6，第一光纤引出孔7。传感装置选用易于加工成型的纤维复合材料或热塑型材料，主要形状呈细长的管状空心结构，圆孔通道6可容温度补偿光纤、其他光纤传输线路通过，对光纤进行保护。传感装置两侧预留了两个与内部通道连通的第一光纤引出孔7，方便引出传输光纤的接头与连接件内置倾角自感知模块11连接。在传感装置末端设有一条六边形凸台1，起始段设有六边形凹槽2，可通过榫卯结构的方式将传感装置对接，保证传感装置之间不发生扭转。传感装置两端刻有固定凹槽3，在与倾角自感知连接装置17对接时可嵌入连接件内测轴向固定突起8中，确保倾角自感知连接装置17与可拼接式柔性光纤传感装置18固定不发生旋转。可拼接式柔性光纤传感装置18具有3道环向均等分布细长的光纤槽5，内部嵌有应变传感光纤并用环氧树脂密封，确保光纤与棒状基体相耦合。为方便光纤接头的放置，在固定凹槽3两端设有更深光纤接头储存槽4。当棒状基体发生弯曲变形和扭转时会带动光纤发生拉伸与压缩，进而测得应变数据用于拟合柔性光纤传感装置的坐标曲线。

三根应变传感光纤间隔120°对称分布，和柔性光纤传感装置中心的距离为𝑟。当此光纤发生各处曲率均相等的平面弯曲，假设弯曲对应的圆心角为𝛽，传感装置中性轴对应的曲率半径为，中性轴与偏心应变传感光纤之间的连线和弯曲平面的法线夹角为。

当柔性光纤传感装置近发生弯曲无扭转时，由半径、圆心角和弧长之间的关系：弧长=半径×圆心角，中心轴长度和偏心光纤长度分别满足：

其中为未发生弯曲时此段多芯光纤14的长度，也即中心纤芯的长度，为发生弯曲后处的偏心光纤长度。消去𝛽可得：

将其改写为应变形式：

对于不同的应变传感光纤，有。

为了利用所有的应变传感光纤来计算曲率，降低测量的误差，定义每根应变传感光纤的表观曲率矢量：

其中，表示第根纤芯，和表示一对正交的单位矢量。将三根偏心光纤的求和可得曲率：

当柔性光纤传感装置既发生弯曲又发生扭转时，应变传感光纤的微元可以表示为：

其中，表示应变传感光纤距离光纤柔性传感装置中心的距离，表示传感装置微元的曲率，表示传感装置中心与光线槽内应变传感光纤之间的连线和弯曲平面的法线夹角，表示传感装置微元的扭转角, 表示光纤柔性传感装置的初始单位弧长，表示在水平方向上的位置（角度）变化，其取值范围为[0,𝜑]。式(6)等号右端第一项代表不同位置的变化比例𝜌，剩余的表示水平方向的微元。对dl在[0,𝜑]上积分可得：

将其改写为应变：

在实际测量中，𝜀可以通过测量得到的应变计算出来，𝑟、均为已知量，因此，式(8)中需要求得的未知量有三个：𝜑、𝜅和。因此需要至少三根偏心的应变传感光纤的数据才能进行求解。式(8)就是扭转角度、曲率和光纤应变之间的模型。

传感装置中的三根传感光纤，它们是均匀分布的，每两个之间间隔120°，通过它们测量得到的应变分别为和，应变光纤距离传感装置中心的距离𝑟、光纤初始单位弧长均为已知，将参数代入(8)得：

因为在计算过程中可能会存在分母为零的情况，为了避免这种情况的发生，接下来进行分情况讨论。

（1）当时：如果=0，则未发生弯曲、扭转；如果>0，则只发生了扭转，直接得到𝜅=0, 。𝜑的正负表示顺时针或逆时针扭转。

（2）当和不全相等时：将式(10)和(11)分别与式(9)作差，并消去可得：

求解式(12)可得的值：

当时，

其中，中的*表示此项为计算出的数值，下同。

当时，

将代入式(9)和(10)（如果=𝜀2则代入式(9)和(11)，并将两式作差可得的值：

然后将和的值代入式(9)可得出扭转角度𝜑的值：

将求得的𝜑的值代入中可得𝜃的值：

再将求得的𝜑的值代入中可得𝜅的值：

以上是对一个光纤传感装置微元的计算。将以上处理过程应用于每一个微元，可得传感装置沿线上所有的𝜅。运用传统的基于曲率𝜅的二维曲线重构算法可以得到传感装置的二维坐标曲线。

为解决可拼接式柔性光纤传感装置18之间的连接问题，以及可拼接式柔性光纤传感装置18连接处的倾角测量问题，本实施例设计了倾角自感知连接装置17。

如图1、图5、图6所示，倾角自感知连接装置17包括固定突起8，传感装置固定通道9，紧固螺栓10和倾角自感知模块11。

为确保结构不变形，倾角自感知连接装置17采用结构钢材料，呈长方体，倾角自感知连接装置17内部设有贯通圆柱体通道9，圆柱体通道9两侧设有沿纵向方向的两道线形固定突起8，可将可拼接式柔性光纤传感装置18的两道固定凹槽3沿固定突起8插入以固定可拼接式柔性光纤传感装置18使其不发生旋转。为防止可拼接式柔性光纤传感装置18从倾角自感知连接装置17中脱落，在倾角自感知连接装置17两端各有四个螺纹孔，围绕连接件环形均匀分布，采用在倾角自感知连接装置17两端加装固定子装置10（在本实施例选用固定螺栓）的方式将可拼接式柔性光纤传感装置18固定在倾角自感知连接装置17内部。

如图7、图8所示，为测得可拼接式柔性光纤传感装置18连接处的倾角数据与扭转角数据，设计的倾角自感知连接装置17内置倾角传感模块11，倾角传感模块11包括外壳结构12（在本实施例中选用传感方盒），光纤固定子装置13（在本实施例中选用光纤固定片），多芯光纤14，配重球15，第二引出光纤孔16。倾角传感模块11的外壳结构12采用翻盖式的正方体传感方盒，便于维护传感模块内部器件，方盒上预留有第二引出光纤孔16，便于引出光纤通过柔性光纤传感装置内部圆孔通道6连接光纤解调仪19。传感方盒顶部安装有光纤固定片13，用于固定多芯光纤14。多芯光纤14为七芯光纤，包括中心芯和六个外芯呈六边形排列，通过激光束扫描的方法在所有纤芯的相同位置处刻上光纤光栅，光栅紧邻光纤固定端，中心位置的光纤光栅作为温度补偿，外围的纤芯的光纤光栅中任意选择两个与中心芯的连线不在一条直线上的光栅作为倾斜传感，根据测量灵敏度需求，两根倾角传感光栅具有多种选择方案。为了增加多芯光纤14的韧性，将多芯光纤14穿入韧性较好的光纤柔性套管并用UV胶将光纤与套管耦合，并在光纤自由端连接配重球15，倾斜时增加光纤弯曲幅度。

多芯光纤14的倾角测量具体原理如下：多芯光纤14中的7个芯当中选择3个芯1、2、4进行传感，外侧的纤芯2与纤芯4用作拉伸和压缩，中间的纤芯1用作温度补偿。纤芯i的波长偏移可以描述为：

其中为纤芯 i的布拉格波长，为有效光弹性系数，相对于纤芯的有效指数和纤维的泊松比。其中，表示纤芯 i相对于中立面的角位置，为多芯光纤14所测的方位角，也是传感装置连接处的扭转角， R为弯曲半径， d为外芯到中心芯的距离。当光纤倾斜时，自由端的配重球对多芯光纤14光栅施加应力，导致外围纤芯的波长发生轻微偏移。FBG位于固定点附近。当光纤倾斜时，光纤的自由端远离垂直方向，而另一端保持固定。在这种情况下， R由(20)和(21)中描述的质量引起的和自由光纤引起的的两部分组成，分别为：

为光纤的杨氏模量，为截面面积的二阶矩，定义为。为自由光纤的长度，为光栅到固定点的距离。为单位长度纤维重量，m为附加配重球的重量，为重力加速度，为传感装置的倾斜角。因此，纤芯的倾斜导致的布拉格波长偏移可表示为(22)

布拉格波长的偏移与倾斜角和扭转角都有关。当考虑两个外围纤芯的波长偏移时，例如纤芯 i和纤芯 j，方位角即传感装置之间的扭转角可描述为:

从(23)可以看出，和之间的相位可以是除 π以外的任何值，这意味着所选的两个纤芯不应该与中心核成一条直线。

因此，一旦的方向确定，可由(23)和(22)得到，可推导为:

得到的值和特定纤芯的波长位移，倾斜角就可以成功确定。因此，在任何倾斜条件下，通过检测布拉格波长的偏移，都可以同时获得和，倾斜计具有在二维范围内区分倾斜的能力，其中测得的方位角也是柔性光纤传感装置连接处的扭转角，倾斜角是传感装置连接处的倾斜角。

实施例2

如图9所示，本实施例提出了一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统的校正方法，包括：

构建单个所述可拼接式柔性光纤传感装置18的误差补偿库；

基于所述误差补偿库，用于对每个柔性光纤传感装置的所拟合的二维坐标曲线进行误差补偿，对每个传感装置所拟合的位移曲线进行独立校正；

基于预设方式对若干可拼接式柔性光纤传感装置18、若干倾角自感知连接装置17和光纤解调装置进行拼接，连接完成后，通过所述光纤解调装置获取所述倾角自感知连接装置17的倾角和扭转角数据，对拼接后的传感装置所拟合的多个坐标曲线进行整体校正；

进一步地，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置18的误差补偿库包括：

构建所述可拼接式柔性光纤传感装置18的无扭转变形数据库；

基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库；

其中，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置18的变形数据库包括：

在测量前，对所述可拼接式柔性光纤传感装置18进行预设变形处理，对传感装置不施加扭转，基于所述预设变形处理的结果，构建每一段所述可拼接式柔性光纤传感装置18的所述变形数据库；

所述预设变形处理包括：将所述可拼接式柔性光纤传感装置18变形分为单端紧固、双端紧固和双端简支三种边界约束条件，对每种约束条件下，考虑中心点与偏心点单点多值加载、两点多值加载和三点多值加载情形，根据应变数据计算不同加载情形的原始曲率数据并记录实测坐标曲线；

基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库包括：

对所述变形数据库中的原始曲率数据使用二维坐标重构算法得到传感装置的二维坐标曲线，并计算此时的所述可拼接式柔性光纤传感装置18的坐标曲线误差数据；将不同变形类型的原始曲率数据和坐标曲线误差数据根据加载位移分别进行插值，形成预设数值的数据量，并将坐标曲线误差数据与所述变形数据库中的各类变形的原始曲率数据对应，建立所述误差补偿库。

进一步地，对所述应变数据进行误差补偿包括：

将拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置18所测的所述曲率数据与所述变形数据库中的原始曲率数据进行求导，将获取导数曲线的正负匹配度和欧氏距离作为目标函数，采用梯度下降算法从所述误差补偿库中寻找变形形状最为匹配的曲率曲线，并根据库中对应的坐标曲线误差数据，对所测坐标曲线数据进行误差补偿，进而修正所述可拼接式柔性光纤传感装置18拟合的曲线。

进一步地，所述倾角自感知连接装置17所测二轴倾角数据包括： …；其中，为可拼接式柔性光纤传感装置18连接处与水平面的夹角，为可拼接式柔性光纤传感装置18连接处的扭转角度，1、2、3…分别为第一个、第二个、第三个…倾角自感知连接装置17。

进一步地，基于预设修正方式利用所述传感装置连接处的扭转角和倾斜角对拼接后的传感装置拟合的多个坐标曲线进行扭转误差修正和曲线拼接，包括：

S1.对于第一个所述可拼接式柔性光纤传感装置18，若柔性传感装置发生扭转，通过光纤槽5内的三根应变传感光缆的应变数据计算出传感装置沿弧长均等分布的扭转数据的集合。因为是从零开始的扭转数据集合，传感装置的扭转数据的总变化量为可以用扭转数据集合的末值表示，所以利用两端连接装置所测的扭转角度和的差值作为即扭转总变化量的参考，得出扭转变化总量较为准确的扭转数据集合。将修正后的扭转数据集合加上，将作为扭转数据集合的起始参考值，得出第一条传感装置较为准确的扭转角数据集合。利用扭转数据集合中的扭转数据可计算得到分离扭转误差的传感装置的曲率数据。

通过曲率数据将拟合的第一条坐标曲线的起点平移到坐标原点，通过优化算法将坐标曲线围绕原点旋转，直至起点的切线角度与所述倾角自感知连接装置17所测的倾角相近，以第一条曲线末端切线角度与倾角的差值为目标函数，传感装置根据不同弯曲情况，设置修正系数X1的变化范围，进而从该范围中随机选取一个值作为X1的初始值，将该初始值与第一个可拼接式柔性光纤传感装置18的应变曲线相乘，以实时测量的倾角值为优化目标使用优化算法更新应变曲线修正系数X1，直至曲线终点的切线角度与传感装置末端所测倾角相近，完成对第一条坐标曲线的修正。

S2.对于第二段柔性光纤传感装置，通过S1的方法利用和得到第二条柔性光纤传感装置的扭转数据集合，并计算曲率数据拟合出第二条坐标曲线，将第二条坐标曲线的起点平移拼接到第一条坐标曲线的终点，旋转和调整曲率修正系数X2同时作用使第二条曲线首端和末端的所在切线角度和两端所述倾角自感知连接装置17所测倾角和相近，完成对第二条坐标曲线的修正。

S3.依次针对之后的所述可拼接式柔性光纤传感装置18的坐标曲线采用所述S1中的扭转误差修正和优化旋转拼接配合曲率修正系数调整的算法，最终构成拼接后所述可拼接式柔性光纤传感装置18所测的整体位移曲线。

在本实施例中，一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统的校正方法的具体实施方法如下所示：

步骤1：测量前，根据所测结构尺寸，确定所需柔性光纤传感装置18的数目，针对柔性光纤传感装置18进行弯曲实验，包括将柔性光纤传感装置18变形分为单端紧固、双端紧固和双端简支三种边界约束条件，对每种约束条件下，考虑中心点与偏心点单点多值加载、两点多值加载与三点多值加载情形，根据应变数据计算不同加载情形的原始曲率数据并记录实测坐标曲线，建立每一段柔性光纤传感装置18的变形数据库；

步骤2：对变形库中获取的曲率数据使用二维曲线重构算法得到传感装置的二维坐标曲线，并计算此时的传感装置的坐标曲线误差数据；将不同变形类型的应变数据和误差数据根据加载位移分别进行插值，形成较丰富的数据量，并将坐标曲线误差数据与所述变形数据库中的各类变形的原始曲率数据对应，建立所述误差补偿库；

步骤3：将柔性光纤传感装置18按照所测结构体的需求进行一定数量的拼接，拼接处用倾角自感知连接件17进行固定，拼接后的传感装置两端也安装上连接件17用于测量两端倾角；将拼接后的传感装置并安装在结构体上；

步骤4：通过解调仪获取各段柔性光纤传感装置18的应变数据，计算曲率数据，将所计算的曲率数据与修正系数库内的曲率数据进行求导，将获取导数曲线的正负匹配度和欧氏距离作为目标函数，采用梯度下降算法从所述误差补偿库中寻找变形形状最为匹配的曲率曲线，并根据库中对应的坐标曲线误差数据，对所测坐标曲线数据进行误差补偿，进而修正所述可拼接式柔性光纤传感装置18拟合的曲线。

步骤5：在各段传感装置所测的坐标曲线进行修正完成后，通过解调仪获取各个倾角自感知连接装置17所测二轴倾角数据包括： …；其中，为可拼接式柔性光纤传感装置18连接处与水平面的夹角，为可拼接式柔性光纤传感装置18连接处的扭转角度，1、2、3…分别为第一个、第二个、第三个…倾角自感知连接装置17。首先，对于第一个所述可拼接式柔性光纤传感装置18，若柔性传感装置发生扭转，通过光纤槽5内的三根应变传感光缆的应变数据计算出传感装置沿弧长均等分布的扭转数据的集合。因为是从零开始的扭转数据集合，传感装置的扭转数据的总变化量为可以用扭转数据集合的末值表示，所以利用两端连接装置所测的扭转角度和的差值作为即扭转总变化量的参考，得出扭转变化总量较为准确的扭转数据集合。将修正后的扭转数据集合加上，将作为扭转数据集合的起始参考值，得出第一条传感装置较为准确的扭转角数据集合。利用扭转数据集合中的扭转数据可计算得到分离扭转误差的传感装置的曲率数据。

通过曲率数据将拟合的第一条坐标曲线的起点平移到坐标原点，通过优化算法将坐标曲线围绕原点旋转，直至起点的切线角度与所述倾角自感知连接装置17所测的倾角相近，以第一条曲线末端切线角度与倾角的差值为目标函数，传感装置根据不同弯曲情况，设置修正系数X1的变化范围，进而从该范围中随机选取一个值作为X1的初始值，将该初始值与第一个可拼接式柔性光纤传感装置18的应变曲线相乘，以实时测量的倾角值为优化目标使用优化算法更新应变曲线修正系数X1，直至曲线终点的切线角度与传感装置末端所测倾角相近，完成对第一条坐标曲线的修正。

步骤6：对于第二段柔性光纤传感装置，通过S1的方法利用和得到第二条柔性光纤传感装置的扭转数据集合，并计算曲率数据，拟合出第二条坐标曲线，将第二条坐标曲线的起点平移拼接到第一条坐标曲线的终点，旋转和调整曲率修正系数X2同时作用使第二条曲线首端和末端的所在切线角度和两端所述倾角自感知连接装置17所测倾角和相近，完成对第二条坐标曲线的修正。

步骤7：依次针对之后的所述可拼接式柔性光纤传感装置18的坐标曲线采用所述S1中的扭转误差修正和优化旋转拼接配合曲率修正系数调整的算法，最终构成拼接后所述可拼接式柔性光纤传感装置18所测的整体位移曲线。

Claims (10)

1.一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，包括：可拼接式柔性光纤传感装置、倾角自感知连接装置和光纤解调装置；

所述可拼接式柔性光纤传感装置，用于测量位移场；

所述倾角自感知连接装置，用于所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的连接，测量传感装置连接处的倾角和扭转角；

所述光纤解调装置，用于获取所述可拼接式柔性光纤传感装置的应变数据和倾角自感知连接装置的倾角与扭转角数据，对拼接后的柔性光纤传感装置所测位移场进行修正；

若干所述倾角自感知连接装置之间连接若干所述可拼接式柔性光纤传感装置，所述光纤解调装置与所述倾角自感知连接装置的自由端连接。

2.根据权利要求1所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述可拼接式柔性光纤传感装置包括：连接凸台，连接凹槽，固定凹槽，光纤接头储存槽，光纤槽，光纤通道，第一光纤引出孔；

所述连接凸台和所述连接凹槽分别位于所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端，所述连接凸台与所述连接凹槽相适配；

所述可拼接式柔性光纤传感装置的沿环向相等间隔设有3道所述光纤槽，所述可拼接式柔性光纤传感装置的内部中心设有所述光纤通道；

所述可拼接式柔性光纤传感装置的两端分别对称设置所述固定凹槽和所述第一光纤引出孔，且所述固定凹槽基于所述光纤通道对称分布；

所述光纤槽的内部嵌有应变传感光纤，所述应变传感光纤用环氧树脂密封，用于监测柔性光纤传感装置的位移信息和扭转信息；

在所述光纤槽的两端均还设有所述光纤接头储存槽，所述光纤接头储存槽的深度大于所述光纤槽；

所述光纤通道的内部设有温度补偿光纤，所述温度补偿光纤处于宽松状态，不受应变影响，用于对应变传感光纤进行温度补偿。

3.根据权利要求2所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述倾角自感知连接装置包括：固定突起，传感装置固定通道，固定部件和倾角自感知模块；

所述倾角自感知连接装置内部设有所述传感装置固定通道，所述传感装置固定通道两侧对称设置的所述固定突起，所述固定突起与所述固定凹槽相适配；

所述固定部件位于所述倾角自感知连接装置的两端，用于将所述可拼接式柔性光纤传感装置固定在所述倾角自感知连接装置内部；

所述倾角自感知模块位于所述倾角自感知连接装置的一侧，可自感制二轴倾斜角，用于测量所述可拼接式柔性光纤传感装置连接处的倾角数据以及扭转角数据。

4.根据权利要求3所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述倾角自感知模块包括腔体，所述腔体表面设置有第二引出光纤孔，所述腔体内侧顶部设置有光纤固定子装置；

安装有光纤固定子装置，所述光纤固定子装置与多芯光纤一端连接，多芯光纤另一端固定连接有一端配重子装置，所述配重子装置用于在所述可拼接式柔性光纤传感装置倾斜时增加光纤弯曲幅度。

5.根据权利要求4所述的自校正可拼接式光纤位移场传感系统，其特征在于，所述多芯光纤包括：一个中心芯和若干外芯，以及在所有纤芯的相同位置处刻上的光纤光栅；

所述中心芯的位置处的光纤光栅，用于温度补偿；

所述外芯的位置处的光纤光栅中任意选择两个与所述中心芯的连线不在一条直线上的光纤光栅，用于获取拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角与倾斜角；

所述扭转角为：

其中为纤芯i的布拉格波长，表示纤芯i相对于中立面的角位置，和之间的相位可以是除π以外的任何值；

所述倾斜角为：

其中，为传感装置的倾斜角，为纤芯i的布拉格波长，为纤芯i相对于中立面的角位置，为可拼接式柔性光纤传感装置之间的扭转角，R为弯曲半径，为光纤的杨氏模量，为截面面积的二阶矩，为自由光纤的长度，为光栅到固定点的距离，为附加配重球的重量，为重力加速度，为外芯到中心芯的距离。

6.应用于权利要求1-5任一所述的一种自校正可拼接式光纤位移场传感系统的校正方法，其特征在于，包括：

构建单个所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库；

基于所述误差补偿库，用于对每个柔性光纤传感装置的所拟合的二维坐标曲线进行误差补偿，对每个传感装置所拟合的位移曲线进行独立校正；

基于预设方式对若干可拼接式柔性光纤传感装置、若干倾角自感知连接装置和光纤解调装置进行拼接，连接完成后，通过所述光纤解调装置获取所述倾角自感知连接装置的倾角和扭转角数据，对拼接后的传感装置所拟合的多个坐标曲线进行整体校正。

7.根据权利要求6所述的校正方法，其特征在于，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的误差补偿库包括：

构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的无扭转变形数据库；

基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库；

其中，构建所述可拼接式柔性光纤传感装置的变形数据库包括：

在测量前，对所述可拼接式柔性光纤传感装置进行预设变形处理，对传感装置不施加扭转，基于所述预设变形处理的结果，构建每一段所述可拼接式柔性光纤传感装置的所述变形数据库；

所述预设变形处理包括：将所述可拼接式柔性光纤传感装置变形分为单端紧固、双端紧固和双端简支三种边界约束条件，对每种约束条件下，考虑中心点与偏心点单点多值加载、两点多值加载和三点多值加载情形，根据应变数据计算不同加载情形的原始曲率数据并记录实测坐标曲线；

基于所述变形数据库，构建所述误差补偿库包括：

对所述变形数据库中的原始曲率数据使用二维坐标重构算法得到传感装置的二维坐标曲线，并计算此时的所述可拼接式柔性光纤传感装置的坐标曲线误差数据；将不同变形类型的原始曲率数据和坐标曲线误差数据根据加载位移分别进行插值，形成预设数值的数据量，并将坐标曲线误差数据与所述变形数据库中的各类变形的原始曲率数据对应，建立所述误差补偿库。

8.根据权利要求7所述的校正方法，其特征在于，对所述曲率数据进行误差补偿包括：

将拼接后的所述可拼接式柔性光纤传感装置所测的所述曲率数据与所述变形数据库中的原始曲率数据进行求导，将获取导数曲线的正负匹配度和欧氏距离作为目标函数，采用梯度下降算法从所述误差补偿库中寻找变形形状最为匹配的曲率曲线，并根据库中对应的坐标曲线误差数据，对所测坐标曲线数据进行误差补偿，进而修正所述可拼接式柔性光纤传感装置拟合的曲线。

9.根据权利要求8所述的校正方法，其特征在于，所述倾角自感知连接装置所测二轴倾角数据包括： ；其中，为可拼接式柔性光纤传感装置连接处与水平面的夹角，为可拼接式柔性光纤传感装置连接处的扭转角度，1、2、3分别为第一个、第二个、第三个倾角自感知连接装置。

10.根据权利要求9所述的校正方法，其特征在于，基于预设修正方式利用所述传感装置连接处的扭转角和倾斜角对拼接后的传感装置拟合的多个坐标曲线进行扭转误差修正和曲线拼接，包括：

S1.对于第一个所述可拼接式柔性光纤传感装置，若柔性传感装置发生扭转，通过光纤槽内的三根应变传感光缆的应变数据计算出传感装置沿弧长均等分布的扭转数据的集合，因为是从零开始的扭转数据集合，传感装置的扭转数据的总变化量为可以用扭转数据集合的末值表示，所以利用两端连接装置所测的扭转角度和的差值作为即扭转总变化量的参考，得出扭转变化总量较为准确的扭转数据集合，将修正后的扭转数据集合加上，将作为扭转数据集合的起始参考值，得出第一条传感装置较为准确的扭转角数据集合，利用扭转数据集合中的扭转数据可计算得到分离扭转误差的传感装置的曲率数据；

通过曲率数据将拟合的第一条坐标曲线的起点平移到坐标原点，通过优化算法将坐标曲线围绕原点旋转，直至起点的切线角度与所述倾角自感知连接装置所测的倾角相近，以第一条曲线末端切线角度与倾角的差值为目标函数，传感装置根据不同弯曲情况，设置修正系数X1的变化范围，进而从该范围中随机选取一个值作为X1的初始值，将该初始值与第一个可拼接式柔性光纤传感装置的应变曲线相乘，以实时测量的倾角值为优化目标使用优化算法更新应变曲线修正系数X1，直至曲线终点的切线角度与传感装置末端所测倾角相近，完成对第一条坐标曲线的修正；

S2.对于第二段柔性光纤传感装置，通过S1的方法利用和得到第二条柔性光纤传感装置的扭转数据集合，并计算曲率数据，拟合出第二条坐标曲线；将第二条坐标曲线的起点平移拼接到第一条坐标曲线的终点，旋转和调整曲率修正系数X2同时作用，使第二条坐标曲线首端和末端的所在切线角度和两端所述倾角自感知连接装置所测倾角和相近，完成对第二条坐标曲线的修正；

S3.依次针对之后的所述可拼接式柔性光纤传感装置的坐标曲线采用所述S1中的扭转误差修正和优化旋转拼接配合曲率修正系数调整的算法，最终构成拼接后所述可拼接式柔性光纤传感装置所测的整体位移曲线。

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