[发明专利]一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法

说明书

本发明公开了一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，属于仿生测量方法技术领域。目的在于提供一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，所述测量方法为：首先在触须杆靠近基部的位置设置一组十字垂直交叉的4个光纤光栅，然后通过与光纤光栅连接的预应力施加机构，给光纤光栅施加一定的预应力，然后通过连接件将触须杆与光纤光栅固连，通过弹簧机构施加垂直方向的预应力，当触须杆末端受到外界的激励后，通过分析4个光栅的读数，求出外界的激励的方向和大小。本发明所给的三维预应力加载方案，首先调节单根光纤，然后整体同时施加，达到每个光栅预应力相同的效果。从一维到二维再到三维，方法简单，精确性好，实用方便。

技术领域

本发明涉及一种基于准分布式光纤光栅的阵列式三维测量方法，属于仿生测量方法技术领域。

背景技术

触须是海豹、海狮等海洋哺乳动物感应水中涡流的重要器官，能够帮助它们准确的确认鱼类在水中的游动产生的尾流，从而有效追踪和判断猎物的状态。猫科动物、鼠类、昆虫等陆生动物具有十分敏感的触须、触角或毛发结构，能够感知空气的流向和强度，或在黑暗中感知周围空间环境。进化而来的这一器官给这类动物带来了强大的生命力，在几亿年的优胜劣汰演化史中扮演着重要的角色。

如今科技迅猛发展，机器人行业正经历着前所未有的大发展大繁荣时代，各种奇思妙想通过科研所人员的努力，正在不断赋予机器人更多新的内容，使其更加智能强大。学习动物朋友的完美功能，是人类获得更大能力重要途径。诸如雷达、超声探测、鲨鱼皮、蚁穴通风系统等等，给人类带来巨大的技术进步。机器人作为将人类从重复繁重体力劳动中解放出来的新工具，早已成为世界各国争相抢夺的科技高地。

作为机器人，应当具备全方位准确的采集数据功能，高效、完善的处理数据功能，以及快速有效的输出功能。外部信号的采集作为这一环节的开始，是其中最为难以控制的部分，采集系统受环境、仪器、采集手段的制约，常常与真实量有较大偏差，如何有效的完成信号采集，是整个系统完美运作的前提。所以很有必要借鉴动物在这方面的优势，更多的研究高效的采集方式和手段。

将动物的触须结构与机器人结合无疑将带来机器人技术的大提升。作为环境参数的一种探测方法，触须不仅可以感知空间尺度，亦可感知空间流体的作用。其一大特点就是既能够有取向性的探测数据，也能够实现某一区域的场探测。能够实现单点测量和多点阵列测量。

目前的仿触须传感器大多是基于应变电测法和激光测位移法实现。由于这些测量元件和弹性元件无法有效的实现小型化，分辨率难提高，结构臃肿，所以难以实现多点阵列测量。更为关键的是，机器人往往需要在极端环境下工作，如核反应堆、外太空、高温管道等，强电磁场以及大的温度波动对电测法都将带来巨大的干扰。传统电测法这些不能克服的缺陷将限制以电为信号载体的测量方法。

光纤光栅从1978年问世以来，取得了巨大的飞跃，随着光栅写入技术的不断改进和优化，其价格大大降低，周期大大缩短、性能大大提高。与传统传感器相比，光纤光栅的测量是无源信号测量，传感器本身既是信号传输元件，也是信号感知元件，十分小巧，最大传输距离能够达到几十公里，信号损失小，电磁免疫强。可以实现准分布式写入，即在单根光纤上写入多个反射波长不同的光栅段，利于实现阵列测量。

在普通商用光纤的某一区域(长度约2-10mm)上周期性地改变纤芯的折射率，通过光纤内的布拉格衍射效应使特定波长的光受到强烈的反射。特定的光栅周期和有效折射率只对带宽很窄的一部分光波具有强烈的反射作用，而对其他波段的光波反射作用很微弱。通入宽带光波后，特定波长的光受到反射返回入射端，通过分光器导入探测器中，识别出这部分反射光的波长和相应的强度，通过识别出反射能量最大的光波对应的波长，可得到相应的测量物理量。从光纤的结构上看，纯玻璃纤维往往脆弱容易折断，所以商用光纤一般都是涂敷一层韧性较好的有机聚合物调节柔韧性，这使得常用的光纤具有较好的韧性，拉伸弯曲性能好，不易折断，所以通过施加一定的预应力光纤可以作为拉伸弹性元件。未经过预应力处理的光栅只能测量拉力，而施加预应力的光栅既可以测量拉力，也能在一定范围内测量收缩力。

发明内容