光纤光栅曲率传感测试装置及其测试方法

1.本发明涉及光纤光栅曲率传感领域，尤其涉及一种光纤光栅曲率传感测试装置及其测试方法。


背景技术：

2.光纤光栅曲率传感器具有原理简单、灵敏度高、精度高、抗电磁干扰和无源工作等优点，已广泛应用于医疗导管介入、航天结构监测、软体机器人形态监测等领域。由于光纤光栅曲率传感器二维弯曲形态反演重构时与光纤光栅测线所处位置有关，因此当光纤光栅测线产生旋转或者扭转角度时将出现感知误差，目前针对光纤光栅曲率传感器的精度补偿已有报道。当前，为实现光纤光栅曲率传感测试，多采用悬臂梁式测试方法，将试件一端固定，另一端通过砝码加载使试件产生二维弯曲。此种装置及方法难以实现试件的特定曲率弯曲，同时难以开展试件二维弯曲叠加旋扭角度的精度补偿测试，此外该方法测量精度低且误差较大。在光纤光栅曲率传感测试过程中，为实现试件的曲率与旋扭角度可调，亟需提出一种新型的用于光纤光栅曲率传感测试的测试装置及其测试方法。


技术实现要素：

3.本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种光纤光栅曲率传感测试装置及其测试方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
4.本发明的一个目的在于提出一种光纤光栅曲率传感测试装置，包括：
5.试验平台包括：光学平板和沿着y轴方向间隔设置在光学平板上两个相对位置的约束组件，两个约束组件之间连接有测试件，其中，所述约束组件包括：x轴位移台、z轴旋转台和夹具，所述x轴位移台连接在光学平板上并能够沿着x轴方向移动，所述z轴旋转台的一端与所述x轴位移台相连接，另一端与所述夹具相连接，且配置为驱动所述夹具绕着z轴方向旋转，所述夹具配置为固定连接所述测试件；所述测试件为弹性材料件；
6.光纤光栅解调仪，其通过光纤光栅测试线连接在所述测试件的表面，配置为将所述光纤光栅测试线基于所述测试件的形变所监测的波长变化量的光信号转化为电信号；
7.计算机，其与所述光纤光栅解调仪相耦接，配置为接收由所述光纤光栅解调仪所转化的电信号，并对所述测试件的弯曲形态进行重构和数据采集；
8.其中，x轴方向、y轴方向和z轴方向彼此相互垂直。
9.在该技术方案中，在该测试装置上进行测试试验时，首先在光学平板上调节两个约束组件位置，使得两个约束组件沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件的夹具处于同一轴线上；然后将测试件安装在两个约束组件的夹具上，并通过两个夹具将测试件固定；其中，所述测试件的两端在夹具上的角度刻度值相等且不发生相对扭转或者测试件的两端发生相对扭转；接着以其中一个约束组件作为固定端，以其中另一个约束组件作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件呈现二维弯曲状态；继续调节活动端约束组件的z轴旋转台，使其与测试件的弯曲状态相对应；最后由计
算机对所述测试件的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件在光学平板上的二维投影曲线进行比较，确定测试件的曲率信息还原精度；其中，除去所述测试件的两端在夹具上的角度刻度为零且不发生相对扭转的情况的测试条件，其他测试条件下还包括：由计算机进行精度补偿，并与测试件在光学平板上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件的曲率信息还原精度和补偿效果。相较于传统的悬臂梁式的测试装置及方法，通过以上光纤光栅曲率传感测试试验装置可实现测试件的特定曲率弯曲，同时可调节测试件在二维弯曲状态下的旋转角度与扭转角度，有利于开展试件二维弯曲叠加旋扭角度的精度补偿测试，此外，该测试装置有效抑制了测试件的轴向拉伸，提高了测量精度。
10.另外，根据本发明的光纤光栅曲率传感测试装置，还可以具有如下技术特征：
11.在本发明的一个示例中，所述z轴旋转台包括：
12.基座，固定连接在所述x轴位移台上；
13.转动盘，可枢转地连接在所述基座上，且所述夹具固定连接在所述转动盘上；
14.驱动件，与所述转动盘相连接，配置为驱动所述转动盘作相对于所述基座的转动运动。
15.在本发明的一个示例中，所述驱动件包括：
16.螺杆和第一连接块，所述第一连接块与所述螺杆固定连接；
17.所述基座上形成有螺纹孔，所述螺杆与所述螺纹孔相适配；
18.其中，所述转动盘上固定有驱动轴，沿着所述第一连接块的周向方向上开设有与所述驱动轴相配合的第一夹槽。
19.在本发明的一个示例中，所述驱动件包括：
20.滑杆和第二连接块，所述第二连接块与所述滑杆固定连接，所述滑杆上设置有凸起部；其中，所述转动盘上固定有驱动轴，在第二连接块上开设有与所述驱动轴相适配的第二夹槽；
21.所述基座上形成有滑轨，且在所述滑轨的内部设置有多个凹陷部，所述凸起部卡接于所述滑轨内的任意凹陷部。
22.在本发明的一个示例中，所述z轴旋转台还包括：
23.限位件，所述限位件连接在所述基座与所述转动盘之间，配置为能够在限定所述转动盘相对于所述基座作旋转运动的第一位置和释放所述转动盘使之能够相对于所述基座作旋转运动的第二位置之间作切换运动。
24.在本发明的一个示例中，在所述夹具的周向方向上形成有角度刻度，当所述测试件被固定安装在两个所述夹具之间时，所述测试件两端均能够以指定的扭转角度和/或旋转角度被固定。
25.在本发明的一个示例中，所述光纤光栅测试线沿着所述测试件的延伸方向布置，并通过粘结剂等间隔的粘结在所述测试件的表面形成多个光栅检测点。
26.本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的光纤光栅曲率传感测试装置的测试方法，包括如下步骤：
27.s11：在光学平板上调节两个约束组件位置，使得两个约束组件沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件的夹具处于同一轴线上；
28.s12：将测试件安装在两个约束组件的夹具上，并通过两个夹具将测试件固定；其
中，所述测试件的两端在如权利要求5所述的夹具上的角度刻度值相等且不发生相对扭转；
29.s13：以其中一个约束组件作为固定端，以其中另一个约束组件作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件呈现二维弯曲状态；
30.s14：调节活动端约束组件的z轴旋转台，使其与测试件的弯曲状态相对应；
31.s15：由计算机对所述测试件的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件在光学平板上的二维投影曲线进行比较，确定测试件的曲率信息还原精度。
32.在本发明的一个示例中，当所述测试件的两端在夹具上的角度刻度为非零时，在步骤s15之后还包括：
33.由计算机进行精度补偿，并与测试件在光学平板上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件的曲率信息还原精度和补偿效果。
34.本发明的再一个目的在于提出一种如上述所述的光纤光栅曲率传感测试装置的测试方法，包括如下步骤：
35.s21：在光学平板上调节两个约束组件位置，使得两个约束组件沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件的夹具处于同一轴线上；
36.s22：将测试件安装在两个约束组件的夹具上，且在所述测试件的两端中，其中一端相对于另一端扭转指定角度，并通过两个夹具将测试件两端固定；
37.s23：以其中一个约束组件作为固定端，以其中另一个约束组件作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件呈现二维弯曲加扭转状态；
38.s24：调节活动端约束组件的z轴旋转台，使其与测试件的弯曲状态相对应；
39.s25：由计算机对所述测试件的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件在光学平板上的二维投影曲线进行比较，确定测试件的曲率信息还原精度；
40.s26：由计算机进行精度补偿，并与测试件在光学平板上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件的曲率信息还原精度和补偿效果。
41.下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
43.图1为根据本发明实施例的光纤光栅曲率传感测试装置的结构示意图；
44.图2为根据本发明实施例的光纤光栅曲率传感测试装置的侧视图；
45.图3为根据本发明实施例的z轴旋转台的俯视图；
46.图4为根据本发明其中一个实施例的驱动件的结构示意图；
47.图5为根据本发明其中另一个实施例的驱动件的结构示意图；
48.图6为根据本发明实施例的无旋转无扭转斜率递推反演重构图；
49.图7为根据本发明实施例的无旋转无扭转斜率递推反演误差图；
50.图8为根据本发明实施例的旋转误差角为30
°
时精度补偿前后反演重构对比图；
51.图9为根据本发明实施例的旋转误差角为30
°
时精度补偿前后反演误差对比图；
52.图10为根据本发明实施例的旋转误差角为45
°
时精度补偿前后反演重构对比图；
53.图11为根据本发明实施例的旋转误差角为45
°
时精度补偿前后反演误差对比图；
54.图12为根据本发明实施例的扭转误差角为10
°
时精度补偿前后反演重构对比图；
55.图13为根据本发明实施例的扭转误差角为10
°
时精度补偿前后反演误差对比图；
56.图14为根据本发明实施例的扭转误差角为20
°
时精度补偿前后反演重构对比图；
57.图15为根据本发明实施例的扭转误差角为20
°
时精度补偿前后反演误差对比图。
58.附图标记列表：
59.测试装置1000；
60.试验平台100；
61.光学平板10；
62.第一定位孔11；
63.约束组件20；
64.x轴位移台21；
65.z轴旋转台22；
66.基座221；
67.螺纹孔2211；
68.滑轨2212；
69.凹陷部2213；
70.转轴2214；
71.连接台2215；
72.转动盘222；
73.驱动轴2221；
74.驱动件223；
75.螺杆2231；
76.第一连接块2232；
77.第一夹槽2233；
78.滑杆2234；
79.第二连接块2235；
80.第二夹槽2236；
81.凸起部2237；
82.限位件224；
83.夹具23；
84.安装孔231；
85.角度刻度232；
86.缺口233；
87.螺栓件234；
88.测试件30；
89.光栅检测点30a；
90.光纤光栅解调仪200；
91.光纤光栅测试线210；
92.计算机300。
具体实施方式
93.为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
94.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
95.根据本发明第一方面的一种光纤光栅曲率传感测试装置1000，如图1至图5所示，包括：
96.试验平台100包括：光学平板10和沿着y轴方向间隔设置在光学平板10上两个相对位置的约束组件20，两个约束组件20之间连接有测试件30，其中，所述约束组件20包括：x轴位移台21、z轴旋转台22和夹具23，所述x轴位移台21连接在光学平板10上并能够沿着x轴方向移动，所述z轴旋转台22的一端与所述x轴位移台21相连接，另一端与所述夹具23相连接，且配置为驱动所述夹具23绕着z轴方向旋转，所述夹具23配置为固定连接所述测试件30；所述测试件30为弹性材料件；
97.光纤光栅解调仪200，其通过光纤光栅测试线210连接在所述测试件30的表面，配置为将所述光纤光栅测试线210基于所述测试件30的形变所监测的波长变化量的光信号转化为电信号；也就是说，光纤光栅测试线120通过粘结剂贴覆在测试件30的表面，由于测试件发生形变产生应变引起的波长变化量信号。
98.计算机300，其与所述光纤光栅解调仪200相耦接，配置为接收由所述光纤光栅解调仪200所转化的电信号，并对所述测试件30的弯曲形态进行重构和数据采集；
99.其中，x轴方向、y轴方向和z轴方向彼此相互垂直。
100.具体地，在该测试装置1000上进行测试试验时，首先在光学平板10上调节两个约束组件20位置，使得两个约束组件20沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件20的夹具23处于同一轴线上；然后将测试件30安装在两个约束组件20的夹具23上，并通过两个夹具23将测试件30固定；其中，所述测试件30的两端在夹具23上的角度刻度232值相等且不发生相对
扭转或者测试件30的两端发生相对扭转；接着以其中一个约束组件20作为固定端，以其中另一个约束组件20作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件30呈现二维弯曲状态；继续调节活动端约束组件20的z轴旋转台22，使其与测试件30的弯曲状态相对应；最后由计算机300对所述测试件30的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件30在光学平板10上的二维投影曲线进行比较，确定测试件30的曲率信息还原精度；其中，除去所述测试件30的两端在夹具23上的角度刻度232为零且不发生相对扭转的测试条件，其他测试条件下还包括：由计算机300进行精度补偿，并与测试件30在光学平板10上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件30的曲率信息还原精度和补偿效果。相较于传统的悬臂梁式的测试装置1000及方法，通过以上光纤光栅曲率传感测试试验装置可实现测试件30的特定曲率弯曲，同时可调节测试件30在二维弯曲状态下的旋转角度与扭转角度，有利于开展试件二维弯曲叠加旋扭角度的精度补偿测试，此外，该测试装置1000有效抑制了测试件30的轴向拉伸，提高了测量精度。
101.在本发明的一个示例中，所述z轴旋转台22包括：
102.基座221，固定连接在所述x轴位移台21上；
103.转动盘222，可枢转地连接在所述基座221上，且所述夹具23固定连接在所述转动盘222上；
104.驱动件223，与所述转动盘222相连接，配置为驱动所述转动盘222作相对于所述基座221的转动运动；
105.简言之，由驱动件223驱动转动盘222绕着基座221作旋转运动，从而驱动与之相连接的夹具23的转动。
106.例如，在基座221上设置转轴2214，在转动盘222上设置有与所述转轴2214相适配的枢转孔，当所述转动盘222适配在所述基座221上时，通过螺栓紧固件将所述转动盘222限定在所述基座221的转轴2214上，从而使得所述转动盘222能够沿着所述基座221的转轴2214的周向方向作旋转驱动，继而实现对于转动盘222上的夹具23的驱动；
107.需要说明的是，对所述夹具23进行旋转驱动是为了在所述x轴位移台21沿着x轴方向移动过程中，该移动的约束组件20的夹具23上的安装孔231与另一个约束组件20的夹具23上的安装孔231不在同一直线上，而通过z轴旋转台22旋转使得两个约束组件20上的安装孔231能够始终处于同一直线上。
108.在本发明的一个示例中，所述驱动件223包括：
109.螺杆2231和第一连接块2232，所述第一连接块2232与所述螺杆2231固定连接；
110.所述基座221上形成有螺纹孔2211，所述螺杆2231与所述螺纹孔2211相适配；例如，在基座221上且靠近转动盘222的位置设置一连接台2215，所述螺纹孔2211开设于所述连接台2215上；
111.其中，所述转动盘222上固定有驱动轴2221，沿着所述第一连接块2232的周向方向上开设有与所述驱动轴2221相配合的第一夹槽2233。
112.例如，在螺杆2231的一端设置旋钮，通过旋转旋钮使得螺杆2231向同轴设置的螺纹孔2211的一侧移动，由于转动盘222的驱动轴2221卡接在第一夹槽2233内，故而由连接块带动转动盘222的转动。
113.通过上述实施例能够实现对于转动盘222的有效驱动，从而方便对于夹具23方位
的调节。
114.在本发明的一个示例中，所述驱动件223包括：
115.滑杆2234和第二连接块2235，所述第二连接块2235与所述滑杆2234固定连接，所述滑杆2234上设置有凸起部；其中，所述转动盘222上固定有驱动轴2221，在第二连接块2235上开设有与所述驱动轴2221相适配的第二夹槽2236；
116.所述基座221上形成有滑轨2212，且在所述滑轨2212的内部设置有多个凹陷部2213，所述凸起部2237卡接于所述滑轨2212内的任意凹陷部2213；
117.例如，在滑轨2212内部设置的凹陷部2213经由弹片折弯而形成；而在滑杆2234的一端配置有拉手，从而在驱动滑杆2234时使得凸起部2237能够与任意一个凹陷部2213相配合；其中，凸起部2237与其中一个凹陷部2213移动配合的过程中，凸起部2237挤压该凹陷使其发生形变继而移动至下一个凹陷部2213内。
118.在本发明的一个示例中，所述z轴旋转台22还包括：
119.限位件224，所述限位件224连接在所述基座221与所述转动盘222之间，配置为能够在限定所述转动盘222相对于所述基座221作旋转运动的第一位置和释放所述转动盘222使之能够相对于所述基座221作旋转运动的第二位置之间作切换运动；
120.通过设置限位线能够有效地将转动盘222的位置固定，避免在测试过程中转动盘222发生转动，影响测试试验，从而有利于提高该测试装置1000测试的精确度。
121.例如，限位件224为螺柱件，转动盘222上开设螺纹孔2211，螺栓件适配在螺纹孔2211中，当需要通过限位件224将转动盘222与基座221的相对位置固定，则通过旋拧螺柱件使得其端面与基座221相抵止；当需要通过限位件224将转动盘222释放时，则通过旋拧螺柱件使得其端面与基座221相分离。
122.在本发明的一个示例中，在所述夹具23的周向方向上形成有角度刻度232，当所述测试件30被固定安装在两个所述夹具23之间时，所述测试件30两端均能够以指定的扭转角度和/或旋转角度被固定；
123.也就是说，在每个夹具23的安装孔231的周向方向上标记有角度刻度232,通过设置角度刻度232可以准确的控制测试件30的测试条件；例如1，测试件30的两端均位于零度旋转角度；例如2，测试件30的两端均位于角度为10度的旋转角度；例如3，测试件30的两端其中一端位于旋转角度为零度，其中另一端位于扭转角度10度；例如4，测试件30的两端其中一端位于旋转角度为10度，其中另一端位于扭转角度20度。
124.在本发明的一个示例中，所述光纤光栅测试线210沿着所述测试件30的延伸方向布置，并通过粘结剂等间隔的粘结在所述测试件30的表面形成多个光栅检测点30a；
125.通过将光纤光栅测试线210沿着所述测试件30的延伸方向布置能够准确监测导到所述测试件30的形变变化，继而将其所监测的应变引起的波长变化量光信号转化为电信号。
126.在本发明的一个示例中，所述光学平板10与所述x轴位移台21之间通过紧固件相连接；
127.至少沿着所述光学平板10的x轴方向开设有多个第一定位孔11；
128.在所述x轴位移台21上开设有多个第二定位孔；
129.多个所述第二定位孔与相对应的多个第一定位孔11对应连接，所述紧固件依次穿
设所述第一定位孔11和所述第二定位孔；
130.作为优选地，第一定位孔11在光学平板10上沿着x轴方向和y轴方向进行阵列设置。例如，所述光学平板10具有阵距为25mm*25mm的螺纹孔，可用于约束组件20固定与二维坐标确定。
131.通过上述结构可以实现x轴位移台21在光学平板10上沿着x轴方向的移动，从而实现对于测试件30的处于弯曲状态的调节。
132.作为优选地，x轴位移台21也可以为一个伸缩件，其可以包括缸体和可伸缩于所述缸体内的活塞板，所述缸体通过上述紧固件连接在光学平板10上，所述活塞板上固定连接有z轴旋转台22，这样当需要实现x轴方向的移动时，可以通过x轴位移台21的伸缩实现，也可以通过缸体与光学平板10之间紧固件连接实现。
133.可以理解的是，当需要调节位移大于光学平板10的第一定位孔11的间距时，通过调节x轴位移台21在光学平板10上的固定位置实现；当需要调节位移小于光学平板10的第一定位孔11的间距时，调节x轴位移台21进行伸出动作实现。
134.在本发明的一个示例中，所述夹具23包括贯穿所述夹具23的安装孔231和开设于所述夹具23上且与所述安装孔231相连通的缺口233；其中，在所述夹具23的缺口233处连接螺栓件234，通过螺栓件234调节缺口233的松紧以固定或者释放所述测试件30；
135.也就是说，在夹具23上开设有连接孔，且连接孔穿设所述缺口233，螺栓件234连接在连接孔内，通过螺栓件234调节缺口233的间隙大小从而调节安装孔231的内径大小，最终实现对于测试件30的松紧调节。
136.根据本发明第二方面的一种如上述所述的光纤光栅曲率传感测试装置1000的测试方法，包括如下步骤：
137.s11：在光学平板10上调节两个约束组件20位置，使得两个约束组件20沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件20的夹具23处于同一轴线上；
138.s12：将测试件30安装在两个约束组件20的夹具23上，并通过两个夹具23将测试件30固定；其中，所述测试件30的两端在如权利要求5所述的夹具23上的角度刻度232值相等且不发生相对扭转；
139.s13：以其中一个约束组件20作为固定端，以其中另一个约束组件20作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件30呈现二维弯曲状态；
140.s14：调节活动端约束组件20的z轴旋转台22，使其与测试件30的弯曲状态相对应；
141.s15：由计算机300对所述测试件30的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件30在光学平板10上的二维投影曲线进行比较，确定测试件30的曲率信息还原精度；
142.也就是说，该测试方法可以对测试件30进行两种工况类型的测试；其中一种是将测试件30的两端固定连接在夹具23的旋转角度为零度的位置，通过活动端沿着x轴线方向进行移动；其中另一种是将测试件30的两端固定连接在夹具23的旋转角度为非零度(例如10度)的位置，通过活动端沿着x轴线方向进行移动。
143.需要说明的是，测试件30的旋转角度以光纤光栅测试线210的位置为基准，例如，在旋转角度为零度时，使得光纤光栅测试线210对准夹具23上的角度刻度232的0
°
；又例如，在旋转角度为指定角度时，使得光纤光栅测试线210对准夹具23上的角度刻度232的指定角
度。
144.相较于传统的悬臂梁式光纤光栅曲率传感测试装置及方法，通过以上光纤光栅曲率传感测试测试方法可实现试件的特定曲率弯曲，同时可调节试件在二维弯曲状态下的旋转角度与扭转角度，有利于开展试件二维弯曲叠加旋扭角度的精度补偿测试，此外，此种方法有效抑制了试件的轴向拉伸，提高了测量精度。
145.在本发明的一个示例中，当所述测试件30的两端在夹具23上的角度刻度232为非零时，在步骤s15之后还包括：
146.由计算机300进行精度补偿，并与测试件30在光学平板10上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件30的曲率信息还原精度和补偿效果。
147.根据本发明第三方面的一种如上述所述的光纤光栅曲率传感测试装置1000的测试方法，包括如下步骤：
148.s21：在光学平板10上调节两个约束组件20位置，使得两个约束组件20沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件20的夹具23处于同一轴线上；
149.s22：将测试件30安装在两个约束组件20的夹具23上，且在所述测试件30的两端中，其中一端相对于另一端扭转指定角度，并通过两个夹具23将测试件30两端固定；
150.s23：以其中一个约束组件20作为固定端，以其中另一个约束组件20作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件30呈现二维弯曲加扭转状态；
151.s24：调节活动端约束组件20的z轴旋转台22，使其与测试件30的弯曲状态相对应；
152.s25：由计算机300对所述测试件30的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件30在光学平板10上的二维投影曲线进行比较，确定测试件30的曲率信息还原精度；
153.s26：由计算机300进行精度补偿，并与测试件30在光学平板10上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件30的曲率信息还原精度和补偿效果。
154.需要说明的是，测试件30的旋转角度以光纤光栅测试线210的位置为基准，例如，在旋转角度为零度时，使得光纤光栅测试线210对准夹具23上的角度刻度232的0
°
；又例如，在旋转角度为指定角度时，使得光纤光栅测试线210对准夹具23上的角度刻度232的指定角度。
155.也就是说，该测试方法可以对测试件30进行两种工况类型的测试；其中一种是测试件30的两端中，其中一端位于零度位置，其中另一端扭转指定角度，并通过两个夹具23将测试件30两端固定，通过活动端沿着x轴线方向进行移动；其中另一种是测试件30的两端中，其中一端位于非零度位置，其中另一端扭转指定角度，并通过两个夹具23将测试件30两端固定，通过活动端沿着x轴线方向进行移动。
156.相较于传统的悬臂梁式光纤光栅曲率传感测试装置及方法，通过以上光纤光栅曲率传感测试测试方法可实现试件的特定曲率弯曲，同时可调节试件在二维弯曲状态下的旋转角度与扭转角度，有利于开展试件二维弯曲叠加旋扭角度的精度补偿测试，此外，此种方法有效抑制了试件的轴向拉伸，提高了测量精度。
157.需要说明的是，对测试件进行曲率补偿的方法如下：
158.s10：由角度传感器监测所述测试件两端的差值获得测试件的扭转角度由光纤光栅测试线120监测所述测试件上各个光栅测点的中心波长；
159.s20：由计算机300基于光栅波长变化量对光纤光栅测试线120感知的正应变εa进行修正；
160.s30：由计算机300基于修正后的光纤光栅测试线120感知应变εa，对受弯曲与扭转叠加作用的测试件曲率进行修正，并获得光栅测点所在位置经过扭转补偿后的曲率k。
161.具体地，测试件弯曲致使光纤光栅产生正应变的修正的推导公式如下：
162.当测试件发生弯曲，并产生扭转时，将粘贴于测试件基材的光纤光栅串30展开，根据几何关系，则有下式成立：
[0163][0164]
式中，光纤光栅测试线120在弯曲与扭转叠加作用下的长度为l
ε
，光纤光栅轴向应变为ε，εa为测试件弯曲致使光纤光栅产生正应变，ε
t
为测试件扭转所致光纤光栅产生切应变。
[0165]
根据公式进行联合求解化简可得：
[0166][0167]
光纤光栅轴向应变为ε根据光栅波长变化量δλ可表示为：
[0168][0169]
根据上述传感器光纤光栅测试线120感知正应变εa和光纤光栅轴向应变为ε联合可得测试件弯曲致使光纤光栅产生正应变εa：
[0170][0171]
其中，
[0172]
光栅测点30a所在位置的曲率k经过扭转补偿后的修正表达式为：
[0173][0174]
式中，r为光纤光栅距离形心的距离，为刮板输送机测试件的扭转误差角，l为刮板输送机测试件的长度，δλ为光栅波长变化量，λb为光纤光栅的初始波长，m为光纤光栅的曲率灵敏度系数。
[0175]
需要说明的是，m＝(1-pe)λbr，它是一个与光纤光栅以及传感器集采有关的量。当测试件制作完成并按照理论条件工作时，m是一个定值。因此，可以将关于m的公式简化为km＝δλb。
[0176]
具体实施例
[0177]
(a)测试件30无旋扭二维弯曲测试
[0178]
表a为测试件无旋扭二维弯曲测试参数列表
[0179][0180]
方案a：
[0181]
由图6和图7分析可知，基于光纤光栅感测传感基材表面应变数据，转换为离散曲率信息后，可以通过斜率递推算法实现其形态反演重构，通过二维投影坐标读数确定传感基材在400mm位置处的偏移量为8.30mm；即使在不存在旋转误差角与扭转误差角的情况下，随着递推次数的增加，反演曲线的绝对误差逐渐增加，在长度500mm的传感基材上，递推至400mm位置时，绝对误差已达2.14mm。
[0182]
(b)测试件30二维弯曲+旋转测试
[0183]
表b为测试件二维弯曲+旋转测试参数列表
[0184][0185]
(1)方案b1：
[0186]
由图8和图9分析可知，旋转误差角为30
°
时，通过旋转误差角精度补偿模型进行补偿后的曲率值进行斜率递推得到的重构曲线明显优于未经补偿的重构曲线。精度补偿前的反演重构曲线末端误差相较于方案a显著增加，其值为2.68mm，通过精度补偿后，其末端误差为2.12mm，重构曲线末端精度相较于精度补偿前提高了6.78％。
[0187]
(2)方案b2：
[0188]
由图10和图11分析可知，旋转误差角为45
°
时，经精度补偿后的曲率值进行斜率递推得到的重构曲线误差大大减小。精度补偿前的反演重构曲线末端误差相较于方案a与方案b1均有所增加，其值为3.33mm，通过精度补偿后，其末端误差为2.13mm，重构曲线末端精度相较于精度补偿前提高了14.46％。
[0189]
(c)测试件30二维弯曲+扭转测试
[0190]
表c为测试件二维弯曲+扭转测试参数列表
[0191][0192]
(1)方案c1
[0193]
由图12和图13分析可知，扭转误差角为10
°
时，通过扭转误差角精度补偿模型进行补偿后的曲率值进行斜率递推得到的重构曲线优于未经补偿的重构曲线。精度补偿前的反演重构曲线末端误差相较于方案a显著增加，其值为2.39mm，通过精度补偿后，其末端误差为2.16mm，重构曲线末端精度相较于精度补偿前提高了2.77％。
[0194]
(2)方案c2
[0195]
由图14和图15分析可知，扭转误差角为20
°
时，经精度补偿后的曲率值进行斜率递
推得到的重构曲线误差有所减小。精度补偿前的反演重构曲线末端误差相较于方案a与方案c1均有所增加，其值为2.43mm，通过精度补偿后，其末端误差为2.27mm，重构曲线末端精度相较于精度补偿前提高了1.93％。
[0196]
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的光纤光栅曲率传感测试装置1000及其测试方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

技术特征：
1.一种光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，包括：试验平台(100)，其包括：光学平板(10)和沿着y轴方向间隔设置在光学平板(10)上两个相对位置的约束组件(20)，两个约束组件(20)之间连接有测试件(30)，其中，所述约束组件(20)包括：x轴位移台(21)、z轴旋转台(22)和夹具(23)，所述x轴位移台(21)连接在光学平板(10)上并能够沿着x轴方向移动，所述z轴旋转台(22)的一端与所述x轴位移台(21)相连接，另一端与所述夹具(23)相连接，且配置为驱动所述夹具(23)绕着z轴方向旋转，所述夹具(23)配置为固定连接所述测试件(30)；所述测试件(30)为弹性材料件；光纤光栅解调仪(200)，其通过光纤光栅测试线(210)连接在所述测试件(30)的表面，配置为将所述光纤光栅测试线(210)基于所述测试件(30)的形变所监测的波长变化量的光信号转化为电信号；计算机(300)，其与所述光纤光栅解调仪(200)相耦接，配置为接收由所述光纤光栅解调仪(200)所转化的电信号，并对所述测试件(30)的弯曲形态进行重构和数据采集；其中，x轴方向、y轴方向和z轴方向彼此相互垂直。2.根据权利要求1所述的光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，所述z轴旋转台(22)包括：基座(221)，固定连接在所述x轴位移台(21)上；转动盘(222)，可枢转地连接在所述基座(221)上，且所述夹具(23)固定连接在所述转动盘(222)上；驱动件(223)，与所述转动盘(222)相连接，配置为驱动所述转动盘(222)作相对于所述基座(221)的转动运动。3.根据权利要求2所述的光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，所述驱动件(223)包括：螺杆(2231)和第一连接块(2232)，所述第一连接块(2232)与所述螺杆(2231)固定连接；所述基座(221)上形成有螺纹孔(2211)，所述螺杆(2231)与所述螺纹孔(2211)相适配；其中，所述转动盘(222)上固定有驱动轴(2221)，沿着所述第一连接块(2232)的周向方向上开设有与所述驱动轴(2221)相配合的第一夹槽(2233)。4.根据权利要求2所述的光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，所述驱动件(223)包括：滑杆(2234)和第二连接块(2235)，所述第二连接块(2235)与所述滑杆(2234)固定连接，所述滑杆(2234)上设置有凸起部(2237)；其中，所述转动盘(222)上固定有驱动轴(2221)，在第二连接块(2235)上开设有与所述驱动轴(2221)相适配的第二夹槽(2236)；所述基座(221)上形成有滑轨(2212)，且在所述滑轨(2212)的内部设置有多个凹陷部(2213)，所述凸起部(2237)卡接于所述滑轨(2212)内的任意凹陷部(2213)。5.根据权利要求2所述的光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，所述z轴旋转台(22)还包括：限位件(224)，所述限位件(224)连接在所述基座(221)与所述转动盘(222)之间，配置为能够在限定所述转动盘(222)相对于所述基座(221)作旋转运动的第一位置和释放所述转动盘(222)使之能够相对于所述基座(221)作旋转运动的第二位置之间作切换运动。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，在所述夹具(23)的周向方向上形成有角度刻度(232)，当所述测试件(30)被固定安装在两个所述夹具(23)之间时，所述测试件(30)两端均能够以指定的扭转角度和/或旋转角度被固定。7.根据权利要求1所述的光纤光栅曲率传感测试装置，其特征在于，所述光纤光栅测试线(210)沿着所述测试件(30)的延伸方向布置，并通过粘结剂等间隔的粘结在所述测试件(30)的表面形成多个光栅检测点(30a)。8.一种根据权利要求1至权利要求7中任意一项所述的光纤光栅曲率传感测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：s11：在光学平板(10)上调节两个约束组件(20)位置，使得两个约束组件(20)沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件(20)的夹具(23)处于同一轴线上；s12：将测试件(30)安装在两个约束组件(20)的夹具(23)上，并通过两个夹具(23)将测试件(30)固定；其中，所述测试件(30)的两端在如权利要求5所述的夹具(23)上的角度刻度(232)值相等且不发生相对扭转；s13：以其中一个约束组件(20)作为固定端，以其中另一个约束组件(20)作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件(30)呈现二维弯曲状态；s14：调节活动端约束组件(20)的z轴旋转台(22)，使其与测试件(30)的弯曲状态相对应；s15：由计算机(300)对所述测试件(30)的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件(30)在光学平板(10)上的二维投影曲线进行比较，确定测试件(30)的曲率信息还原精度。9.根据权利要求8所述的光纤光栅曲率传感测试方法，其特征在于，当所述测试件(30)的两端在夹具(23)上的角度刻度(232)为非零时，在步骤s15之后还包括：由计算机(300)进行精度补偿，并与测试件(30)在光学平板(10)上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件(30)的曲率信息还原精度和补偿效果。10.一种根据权利要求1至权利要求7中任意一项所述的光纤光栅曲率传感测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：s21：在光学平板(10)上调节两个约束组件(20)位置，使得两个约束组件(20)沿着y轴方向间隔设置，且两个约束组件(20)的夹具(23)处于同一轴线上；s22：将测试件(30)安装在两个约束组件(20)的夹具(23)上，且在所述测试件(30)的两端中，其中一端相对于另一端扭转指定角度，并通过两个夹具(23)将测试件(30)两端固定；s23：以其中一个约束组件(20)作为固定端，以其中另一个约束组件(20)作为活动端，其中，保持固定端的各向位移为零，将活动端沿着x轴线方向移动并使得测试件(30)呈现二维弯曲加扭转状态；s24：调节活动端约束组件(20)的z轴旋转台(22)，使其与测试件(30)的弯曲状态相对应；s25：由计算机(300)对所述测试件(30)的弯曲形态进行重构和数据采集，并与测试件(30)在光学平板(10)上的二维投影曲线进行比较，确定测试件(30)的曲率信息还原精度；
s26：由计算机(300)进行精度补偿，并与测试件(30)在光学平板(10)上的二维投影曲线以及精度补偿前的曲线比较，确定测试件(30)的曲率信息还原精度和补偿效果。

技术总结
本发明公开了一种光纤光栅曲率传感测试装置及其测试方法，测试装置包括：试验平台，其包括：光学平板和两个相对位置的约束组件，两个约束组件之间连接有测试件，其中，约束组件包括：X轴位移台、Z轴旋转台和夹具，X轴位移台连接在光学平板上并能够沿着X轴方向移动，Z轴旋转台的一端与X轴位移台相连接，另一端与夹具相连接，且配置为驱动夹具绕着Z轴方向旋转，夹具配置为固定连接测试件；测试件为弹性材料件；光纤光栅解调仪，其配置为将光纤光栅测试线基于测试件的形变所监测的波长变化量的光信号转化为电信号；计算机，其与光纤光栅解调仪相耦接，配置为接收由光纤光栅解调仪所转化的电信号，并对测试件的弯曲形态进行重构和数据采集。据采集。据采集。


技术研发人员：方新秋 宋扬 梁敏富 吴刚 陈宁宁 冯豪天 徐子岳 乔富康
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.07.01
技术公布日：2023/9/23