[發明專利]基于光纖光柵傳感的三維形狀檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201710226960.3
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN108692668B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 梁磊;吳慧峰;許儒泉;王慧;馮坤;徐剛;張健;李東旭;曹珊;仇磊;段細云;涂彬;蔡彥璞;王仁亮;羅玉文;王永皎
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01B11/24
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王丹

本發明提供一種基于光纖光柵傳感的三維形狀檢測方法，在待測三維體外表面固定桿材，通過敷設在桿材外壁的傳感網絡采集數據；傳感網絡包括在桿材外壁沿母線均勻分布固定的三根光纖，三根光纖的截面呈正三角形分布，在光纖上等距的刻有光柵，且位于同一截面的三個光柵位于正三角形的三個頂點，正三角形的中心落在桿材的中心線上；數據為每個光柵檢測到的應變量；利用每個光柵檢測到的應變量，及已知的桿材的尺寸參數，構建中心線參數方程；依據三根光纖作為中心線的等距曲線，應變后的光纖長度等于實際光纖長度，構建方程，對中心線參數方程進行求解，得到桿材應變后的中心線形狀。本發明適用于檢測截面為圓形的桿材的三維形變信息。

技術領域

本發明屬于三維形狀檢測技術領域，具體涉及一種基于光纖光柵傳感的三維形狀檢測系統及方法。

背景技術

在實際應用中，許多結構設備和物體在一些惡劣環境下會由于各種因素產生各種變形，若能夠檢測并重構這些結構的三維變形程度，對于結構性能的實時掌握具有重要作用，一旦發現結構性能降低，就可以根據實際情況采取校正以提高性能，或延長使用壽命。

目前結構形狀形態的檢測與重構一般采用無接觸式和接觸式等兩類方法。當前接觸式測量是比較成熟且應用廣泛的方法，這種方法大多以三坐標測量機為依托，采用掃描的方式實現測量。如三坐標測量機通過安裝接觸式測量傳感器來對待測的物體表面進行空間坐標測量，具有測量高精度、高可靠性等特點，比較適合規則幾何形狀的實物模型表面測量，但它也存在測量速度慢、效率低等缺點，尤其對于一些模型未知的自由曲面，存在路徑規劃和測點分布等問題。

而無接觸式重構方法大都采用光學測量方法進行表面形態測量，這種方法不需要與結構表面直接接觸，在短時間內獲取大量數據點，具有抗干擾性能高和實時性強等優點，但是測量精度相對低。無接觸式重構方法主要有激光掃描檢測法、莫爾條紋法、干涉測量法、CCD攝像頭照相測量法和結構光測量法等，其基本思想是通過選擇合適的光源，結合有效的算法，將局部的坐標轉換為全局坐標系統，進而實現結構形態的測量與重構。顯然，利用激光掃描、機器視覺等非接觸式光學檢測技術測量并計算獲得三維空間坐標值，然后根據結構離散測點的位置信息實現結構形態檢測與重建的方法技術，對于相對固定的地面環境下的結構振動形態檢測與重構研究與應用，具有一定的優勢。但由于測量儀器的結構化與檢測原理的分離性等原因，這些技術對于動態結構體而言，由于載體的時刻運動而無法獲得確定的位置信息，因此不具備適用性。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于光纖光柵傳感的三維形狀檢測系統及方法，用于檢測截面為圓形的桿材的三維形變信息。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于光纖光柵傳感的三維形狀檢測系統，其特征在于：它包括用于固定在待測三維體外表面的桿材，以及敷設在桿材外壁的傳感網絡；所述的桿材的截面為圓形；所述的傳感網絡包括在桿材外壁沿母線均勻分布固定的三根光纖，三根光纖的截面呈正三角形分布，在光纖上等距的刻有光柵，且位于同一截面的三個光柵位于正三角形的三個頂點，正三角形的中心落在桿材的中心線上。

按上述系統，所述的三根光纖分別連接有光纖光柵解調儀和數據處理單元。

利用所述的基于光纖光柵傳感的三維形狀檢測系統實現的三維形狀檢測方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、固定在待測三維體外表面的桿材與待測三維體一起發生形變，通過桿材外壁的傳感網絡采集數據；所采集的數據為每個光柵檢測到的應變量；

S2、利用每個光柵檢測到的應變量，及已知的桿材的尺寸參數，構建中心線參數方程；

依據所述的三根光纖作為中心線的等距曲線，應變后的光纖長度等于實際光纖長度，構建方程，對中心線參數方程進行求解，得到桿材應變后的中心線形狀。

按上述方法，所述的S2中，中心線參數方程為：