基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置及方法
【專利摘要】基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置及方法屬于精密儀器制造及測量技術；所述裝置結(jié)構是：三芯光纖扇出器與低反射率三芯光纖布拉格光柵陣列傳感器光纜連接，所述低反射率三芯光纖布拉格光柵陣列傳感器光纜由纖芯均布配置的三芯光纖和配置在三芯光纖外部的保護套構成，三芯光纖上刻寫了低反射率光纖布拉格光柵陣列；所述測量方法是：在多路光開關作用下，光學頻域反射計0FDR通過測量光譜獲得低反射率光纖布拉格光柵陣列和隔絕外應力封裝的參考光纖布拉格光柵陣列光纜的應力、溫度分布，進而解耦溫度的影響，重建空間形狀信息。本裝置具有信噪比高、精度高、對環(huán)境不敏感、可以依附在被測構件表面實時測量以及使用壽命長的特點。
【專利說明】基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術，特別涉及一種基于低反射率三芯光纖光柵 陣列空間形狀測量裝置及方法。

【背景技術】
[0002] 隨著航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)以及尖端工業(yè)等的不斷發(fā)展，對于空間形 狀測量（復雜曲面的三維面形測量、智能材料的復雜形變等）的需求急劇增長。由于受到 測量時間、采樣點密度的限制，空間形狀測量變得十分困難，尤其是多變、惡劣的測量環(huán)境 使得傳統(tǒng)的空間形狀測量方法無法滿足需求。以往的空間形狀測量中，使用較多的方法有 樣板測量法、結(jié)構光三維視覺測量法和iGPS測量法等。
[0003] 樣板測量法是一種最為經(jīng)典的曲面形狀檢驗方法，它是利用設計時的截面參數(shù)制 造數(shù)個截面的一維樣板，通過在相應的截面位置觀察其截面樣板與被測截面之間的透光量 判斷其形狀差。該方法簡單、直觀，是現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中的最常用的接觸式檢驗手段。由于其 檢驗時需要借助人眼判斷透光量，無法精確給出其型面數(shù)據(jù)。不同的截面形狀需要不同的 截面樣板，樣板的需求量很大，成本很高。
[0004] 結(jié)構光三維視覺測量法中，測量系統(tǒng)主要由結(jié)構光投射裝置、圖像傳感器、圖像采 集及處理系統(tǒng)組成。測量原理是向被測物體投射一定結(jié)構的光模型如點光源、線光源、十字 光條、正弦光柵和編碼光，結(jié)構光受被測物體表面信息的調(diào)制而發(fā)生形變，利用圖像傳感器 記錄變形的結(jié)構光條紋圖像，并結(jié)合系統(tǒng)的結(jié)構參數(shù)來獲取物體的三維信息。這種方法以 較低廉的光學、電子和數(shù)字硬件設備為基礎，以較高的速度和精度獲取和處理大量的三維 數(shù)據(jù)。但是，這種方法容易受外接環(huán)境光線和氣流的影響并且容易產(chǎn)生遮擋，不適合用于多 變、惡劣的測量環(huán)境，如飛機在高速飛行中的機翼、機艙形狀的實時測量。
[0005] iGPS測量法是一種坐標測量技術。該方法中，處于測量點位置的多個靶標可以接 收多個室內(nèi)發(fā)射器（基站）的信號，每個靶標可以獨立的計算它們當前的位置并確立測量 點在測量坐標系中的坐標。該方法具有很高的測量精度。但是，該方法只能手動逐點地測 量，測量效率低，不具有實時測量的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是針對上述空間形狀測量方法存在的問題提出的，其目的是提供一種可以 在多變、惡劣的測量環(huán)境中實現(xiàn)復雜空間形狀實時測量的基于低反射率三芯光纖光柵陣列 空間形狀測量裝置及方法。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案是：
[0008] -種基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置包括寬頻光源、控制計算 機、Ε0Μ脈沖調(diào)制器、光環(huán)形器、光學頻域反射計0FDR、多路光開關，所述寬頻光源與Ε0Μ脈 沖調(diào)制器、Ε0Μ脈沖調(diào)制器與光環(huán)形器、光環(huán)形器與多路光開關、多路光開關與三芯光纖扇 出器通過單模光纖連接形成通路；所述光環(huán)形器與光學頻域反射計0FDR通過單模光纖連 接形成通路；所述三芯光纖扇出器與低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜連接，所述低 反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜由纖芯均布配置的三芯光纖和配置在三芯光纖外部 的保護套構成，在三芯光纖上刻寫了低反射率光纖光柵陣列；所述多路光開關與隔絕外應 力封裝的參考光纖光柵陣列光纜連接形成通路；控制計算機通過電纜分別與EOM脈沖調(diào)制 器、光學頻域反射計OFDR、多路光開關連通。
[0009] -種基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量方法，該方法是：寬頻光源經(jīng) Ε0Μ脈沖調(diào)制器調(diào)制產(chǎn)生一個光脈沖，經(jīng)光環(huán)形器進入多路光開關，在多路光開關的控制 下，所述光脈沖經(jīng)三芯光纖扇出器進入低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜中三芯光纖 的一根纖芯并被三芯光纖上的低反射率光纖光柵陣列反射，反射光經(jīng)多路光開關、光環(huán)形 器進入光學頻域反射計0FDR，光學頻域反射計0FDR可以分析不同時間的光譜信號，從而獲 得與應力、溫度分布有關的低反射率光纖光柵陣列中不同位置光纖光柵的反射光譜；多路 光開關的控制下，光學頻域反射計0FDR可以通過光譜測量獲得低反射率三芯光纖光柵陣 列傳感器光纜中三芯光纖三根纖芯的應力、溫度分布和隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣 列光纜的溫度分布；利用隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣列光纜的溫度分布可以解耦溫 度對低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜的影響，進而可以獲得低反射率三芯光纖光柵 陣列傳感器光纜中三芯光纖上低反射率光纖光柵陣列的應力分布，根據(jù)應力分布可以重建 構待測構件的空間形狀。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0011] 1.基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置及方法具有光譜特性好、對 光源穩(wěn)定性依賴低、精度高、重復性好、對環(huán)境不敏感、使用壽命長的特點。
[0012] 2.低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜體積小、重量輕，既可以依附在待測構 件表面也可以埋入構件內(nèi)部使用；光學探測信號僅在光纖光柵內(nèi)部傳輸，將空間位置信息 轉(zhuǎn)化為頻譜的變化，測量時不受空間遮擋效應和空氣流動的影響。
[0013] 3.在低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜并列設置一根隔絕外應力封裝的參 考光纖光柵陣列光纜，消除了環(huán)境溫度變化對測量的影響，大大提高了傳感器對環(huán)境的適 應能力，可以滿足多變、惡劣環(huán)境下的測量要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置結(jié)構示意圖；
[0015] 圖2是低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜示意圖；
[0016] 圖3是圖2中A-A剖面圖；
[0017] 圖4是低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜傳感原理的示意圖；
[0018] 圖5是低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜的一個測量實例示意圖，圖中本發(fā) 明正在測量一架客機的機翼。 圖中：11.寬頻光源，12.控制計算機，13. Ε0Μ脈沖調(diào)制器，14.光環(huán)形器，15.光學頻 域反射計0FDR，16.多路光開關，17.三芯光纖扇出器，18.低反射率三芯光纖光柵陣列傳感 器光纜，19.隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣列光纜，21.三芯光纖，22.保護套，23.低反 射率光纖光柵陣列。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】作進一步詳細描述：
[0020] -種基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置包括寬頻光源11、控制計 算機12、Ε0Μ脈沖調(diào)制器13、光環(huán)形器14、光學頻域反射計0FDR15、多路光開關16,所述寬 頻光源11與Ε0Μ脈沖調(diào)制器13、E0M脈沖調(diào)制器13與光環(huán)形器14、光環(huán)形器14與多路光 開關16、多路光開關16與三芯光纖扇出器17通過單模光纖連接形成通路；所述光環(huán)形器 14與光學頻域反射計0FDR15通過單模光纖連接形成通路；所述三芯光纖扇出器17與低反 射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18連接，所述低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜 18由纖芯均布配置的三芯光纖21和配置在三芯光纖21外部的保護套22構成，在三芯光纖 21上刻寫了低反射率光纖光柵陣列23 ;所述多路光開關16與隔絕外應力封裝的參考光纖 光柵陣列光纜19連接形成通路；控制計算機12通過電纜分別與Ε0Μ脈沖調(diào)制器13、光學 頻域反射計0FDR15、多路光開關16連通。
[0021] 一種基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量方法，寬頻光源11經(jīng)Ε0Μ脈沖 調(diào)制器13調(diào)制產(chǎn)生一個光脈沖，經(jīng)光環(huán)形器14進入多路光開關16,在多路光開關16的控 制下，所述光脈沖經(jīng)三芯光纖扇出器17進入低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18中 三芯光纖21的一根纖芯并被三芯光纖21上的低反射率光纖光柵陣列23反射，反射光經(jīng)多 路光開關16、光環(huán)形器14進入光學頻域反射計0FDR15,光學頻域反射計0FDR15可以分析 不同時間的光譜信號，從而獲得與應力、溫度分布有關的低反射率光纖光柵陣列23中不同 位置光纖光柵的反射光譜；多路光開關16的控制下，光學頻域反射計0FDR15可以通過光譜 測量獲得低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18中三芯光纖21三根纖芯的應力、溫度 分布和隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣列光纜19的溫度分布；利用隔絕外應力封裝的 參考光纖光柵陣列光纜19的溫度分布可以解耦溫度對低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器 光纜18的影響，進而可以獲得低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18中三芯光纖21上 低反射率光纖光柵陣列23的應力分布，根據(jù)應力分布可以重建構待測構件的空間形狀。
[0022] 本發(fā)明的工作過程如下：
[0023] 基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置及方法的測量過程，如圖5所 不，將低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18依附在一架客機的機翼的表面（或?qū)⑵渎?入機翼內(nèi)部），此時低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18將根據(jù)機翼表面的形狀變化 即低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18的空間形狀就是待測機翼的空間形狀，由于 低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜18空間形狀彎曲變化，其內(nèi)部的三芯光纖21上低 反射率光纖光柵陣列23將受到應力作用，低反射率光纖光柵陣列23可將應力分布轉(zhuǎn)化為 光譜的變化，采用光學頻域反射計0FDR15可以通過光譜測量獲得低反射率三芯光纖光柵 陣列傳感器光纜18中三芯光纖21三根纖芯的應力分布，進而重建空間形狀。
[0024] 基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置及方法是這樣工作的：寬頻光 源11經(jīng)Ε0Μ脈沖調(diào)制器13調(diào)制產(chǎn)生一個光脈沖，經(jīng)光環(huán)形器14進入多路光開關16,在多 路光開關16的控制下，所述光脈沖經(jīng)三芯光纖扇出器17進入低反射率三芯光纖光柵陣列 傳感器光纜18中三芯光纖21的一根纖芯并被三芯光纖21上的低反射率光纖光柵陣列23 反射，經(jīng)多路光開關16、光環(huán)形器14進入光學頻域反射計0FDR15,低反射率光纖光柵陣列 23中光纖光柵的空間位置不同，反射光進入光學頻域反射計0FDR15會有一定的時間間隔， 因此光學頻域反射計0FDR15可以測量低反射率光纖光柵陣列23的光譜，根據(jù)光纖光柵光 譜與應力、溫度的關系可以獲得低反射率光纖光柵陣列23的應力、溫度分布；在多路光開 關16控制下切換光路，光學頻域反射計0FDR15可以通過測量光譜獲得低反射率三芯光纖 光柵陣列傳感器光纜18中三芯光纖21的三根纖芯上的低反射率光纖光柵陣列23的應力、 溫度分布和隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣列光纜19的溫度分布，使用隔絕外應力封 裝的參考光纖光柵陣列光纜19的溫度分布參數(shù)對低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜 18中三芯光纖21的三根纖芯上的低反射率光纖光柵陣列23的應力分布進行溫度解f禹，利 用三根纖芯的應力信息可以對整個傳感器光纜的空間形狀進行重構如圖4所示，完成待測 構件空間形狀的測量。
【權利要求】
1. 一種基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量裝置包括寬頻光源（11)、控制 計算機（12)、E0M脈沖調(diào)制器（13)、光環(huán)形器（14)、光學頻域反射計0FDR(15)、多路光開關 (16)，所述寬頻光源（11)與EOM脈沖調(diào)制器（13)、EOM脈沖調(diào)制器（13)與光環(huán)形器（14)、 光環(huán)形器（14)與多路光開關（16)、多路光開關（16)與三芯光纖扇出器（17)通過單模光纖 連接形成通路；所述光環(huán)形器（14)與光學頻域反射計0FDR(15)通過單模光纖連接形成通 路；其特征在于：所述三芯光纖扇出器（17)與低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜（18) 連接，所述低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜（18)由纖芯均布配置的三芯光纖（21) 和配置在三芯光纖（21)外部的保護套（22)構成，在三芯光纖（21)上刻寫了低反射率光 纖光柵陣列（23);所述多路光開關（16)與隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣列光纜（19) 連接形成通路；控制計算機（12)通過電纜分別與EOM脈沖調(diào)制器（13)、光學頻域反射計 0FDR(15)、多路光開關（16)連通。
2. -種基于低反射率三芯光纖光柵陣列空間形狀測量方法，其特征在于：寬頻光源 (11)經(jīng)EOM脈沖調(diào)制器（13)調(diào)制產(chǎn)生一個光脈沖，經(jīng)光環(huán)形器（14)進入多路光開關（16)， 在多路光開關（16)的控制下，所述光脈沖經(jīng)三芯光纖扇出器（17)進入低反射率三芯光纖 光柵陣列傳感器光纜（18)中三芯光纖（21)的一根纖芯并被三芯光纖（21)上的低反射 率光纖光柵陣列（23)反射，反射光經(jīng)多路光開關（16)、光環(huán)形器（14)進入光學頻域反射 計0FDR(15)，光學頻域反射計0FDR(15)可以分析不同時間的光譜信號，從而獲得與應力、 溫度分布有關的低反射率光纖光柵陣列（23)中不同位置光纖光柵的反射光譜；多路光開 關（16)的控制下，光學頻域反射計0FDR(15)可以通過光譜測量獲得低反射率三芯光纖光 柵陣列傳感器光纜（18)中三芯光纖（21)三根纖芯的應力、溫度分布和隔絕外應力封裝的 參考光纖光柵陣列光纜（19)的溫度分布；利用隔絕外應力封裝的參考光纖光柵陣列光纜 (19)的溫度分布可以解耦溫度對低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜（18)的影響，進 而可以獲得低反射率三芯光纖光柵陣列傳感器光纜（18)中三芯光纖（21)上低反射率光纖 光柵陣列（23)的應力分布，根據(jù)應力分布可以重建構待測構件的空間形狀。
【文檔編號】G01B11/24GK104215197SQ201410118925
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權日:2014年3月20日
【發(fā)明者】崔繼文, 馮昆鵬, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學