一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统

摘要

本发明公开了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器和光纤解调仪，光纤光栅传感器粘贴至待测工件上，光纤解调仪与控制处理单元相连；红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪和数字图像采集卡，数字图像采集卡与所述控制处理单元相连；数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡，其输出端与光纤解调仪和红外热像仪相连，其输入端与所述控制处理单元相连；控制处理单元包括工控机和软件平台。本发明可实现加工过程中切削区域附近多种物理场的精密测量，有助于切削机理的研究。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场(温度场/应变场/振动)同步精密测量系统。

背景技术

切削加工过程中伴随着复杂的力热耦合现象，精确地测量加工过程中的温度场、应变场、振动(尤其是监测切削过程中的颤振现象)，对于加工过程的机理研究具有重要作用。现有的加工温度测量方法主要包括热电偶法、红外热辐射法、具有已知熔点的细粉末涂层法、热敏涂料法等；而现有的应变测量技术包括莫尔条纹，热弹性应力分析，激光散斑干涉，以及数字图像相关等方法。

上述现有的测量方法存在以下问题：1)大部分方法只能对切削过程中的平均温度或有限点位置处的温度进行测量，而且尽管许多研究人员已使用红外热像仪法对整个切削过程中的温度场进行测量，但实际测量过程中，红外热像仪的测量精度低，尤其是对于金属材料的加工温度场的测量，金属的高反射率导致红外发射率很低，并且发射率随着温度变化而不同，使得红外切削温度场测量误差大；2)作为通用的应变场测量方法—数字图像相关法，其高温热辐射对传统高速数码相机的成像产生干扰，而且数字图像相关法所得到的是位移场，当将其转化为应变场时，测量噪声不可避免地被放大；3)虽然从切削机理上看，切削过程中的温度场、应变场、振动是一个耦合且不断相互转换的物理场过程，但是目前没有资料显示，有人员从测量的角度对这三个场进行同时进行测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场(温度场、应变场、振动)测量系统，其利用光纤光栅和红外技术构建一个双传感器系统，结合这两类传感器的技术优势，对切削加工过程中温度场、应变场和振动进行同步精密测量，实现加工过程中切削区域附近多种物理场的精密测量，从而有助于切削机理的研究。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，该系统包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中：

所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器和光纤解调仪，所述光纤光栅传感器用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据，其粘贴至待测工件上，所述光纤解调仪与所述控制处理单元相连；

所述红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪和数字图像采集卡，所述红外热像仪用于获得切削加工过程中的红外成像数据，所述数字图像采集卡与所述控制处理单元相连；

所述数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡，其输出端分别与光纤解调仪和红外热像仪相连，其输入端与所述控制处理单元相连；

所述控制处理单元用于实现温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据的同步获取，并根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量。

作为进一步优选的，所述光纤光栅传感器的采样率为2MHz，其光栅在布点上的空间分辨率小于0.2mm。

作为进一步优选的，所述根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量包括温度场测量、应变场测量和振动测量。

作为进一步优选的，所述温度场测量测量具体为：通过分布布置的光纤光栅传感器获得待测位置处的温度值，通过红外热像仪测量获得待测位置处的红外表征温度，根据所述温度值和红外表征温度计算出待测位置处的发射率；对所述发射率进行空间统计建模，获得发射率空间统计模型；根据发射率空间统计模型实现温度场的测量。

作为进一步优选的，所述应变场测量具体为：根据所述红外热像仪(21)测量的红外数字图像获得应变值，根据所述光纤光栅传感器(11)获得待测位置处的应变值；根据红外数字图像获得应变值以及光纤光栅传感器(11)获得应变值建立贝叶斯信息融合模型，并获得后验概率密度函数模型；根据所述贝叶斯信息融合模型和后验概率密度函数模型获得补偿后应变场值，以实现整个测量区域的应变场精确补偿测量。

作为进一步优选的，所述振动测量具体为：利用分布布置的光纤光栅传感器以高采样率获得待测位置处的应变数据；对应变数据进行变化，得到应变振动信号；根据应变振动信号构建整个测量区域的三维振动场。

作为进一步优选的，所述高采样率具体为2MHz。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过研究设计包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元的多物理场测量系统，以利用光纤光栅和红外技术构建一个双传感器系统，实现切削加工过程中温度场、应变场和振动等多种物理场的同步精密测量，具有结构简单、测试精度高、测试方便等优点。

2.本发明利用光纤光栅传感器的分布式精确温度数据，红外热像仪的红外表征温度场，通过算法补偿，可实现多种加工过程中切削区域附近的温度场精确测量，例如车削、铣削、刨削、磨削等不同的加工过程。

3.本发明利用光纤光栅传感器的分布式精确应变数据，红外热像仪的红外图像，可从时间域和空间域上对红外图像的应变场进行补偿，实现整个测量区域的应变场精密测量。

4.本发明利用光纤光栅传感器高频应变信号，经转换后获得应变振动数据，并根据其分布式测量的特点，可构造出三维振动场模型。

5.本发明实时测量获得的温度场、应变场和振动等多物理场，通过大数据分析，可将物理场与加工数据建立映射关系，将更好地揭示切削加工机理。

6.本发明不局限于加工的应用场景，类似的温度场、应变场和振动测量，本发明都具有精确测量的潜在能力。

附图说明

图1是本发明多物理场测量系统的结构示意图；

图2是本发明光纤光栅传感器的布置示意图；

图3是本发明温度场精密测量的原理图；

图4是本发明应变场精密测量的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其主要包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中，光纤光栅传感单元用于实现温度、应变、振动等多个参数以及不同测量位置的多参数分布式测量，红外热像仪传感单元用于实现加工过程中红外图像数据的采集，数据采集单元具有多通道的输入输出数字信号功能，用于实现不同来源信号的同步采集，控制处理单元用于实现对整个测量系统的控制以及数据处理，包括不同来源信号的软件/硬件同步，数据的记录和回放，不同来源信号的数据处理，实现温度场、应变场和振动的精密测量。通过本发明上述各个单元的相互配合，可实现温度场、应变场和振动的精确测量，通过实时测量可对切削过程中三个物理场的变化规律进行分析，并且通过将本发明所测量的这三个物理场与切削参数之间建立映射关系，从而实现从大数据的角度揭示切削加工机理。

如图1所示，光纤光栅传感单元包括光纤光栅传感器11和光纤解调仪12，其中，光纤光栅传感器11用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据(即用于获得切削测量对象的温度、应变、振动响应信号)，所述光纤解调仪12用于将光纤光栅传感器11获得的响应信号解析成数字信号送入控制处理单元进行处理，两者彼此相连，光纤解调仪12例如通过网络串口与控制处理单元相连。使用时，将光纤光栅传感器11粘贴至待测工件7上，光纤光栅的采样率实际可达到2MHz，空间分辨率小于0.2mm。所述光纤光栅传感单元还包括与光纤解调仪相关的辅助测量装置，例如当对车削中的温度场测量时，信号传输所需要的旋转光耦合器。

红外热像仪传感单元包括红外热像仪21和数字图像采集卡22，两者彼此相连，其中，红外热像仪21用于获得红外图像数据，数字图像采集卡22用于将红外图像数字数据送入控制处理单元中进行处理，其与控制处理单元相连。

数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡3，其输出端分别与光纤解调仪12和红外热像仪21相连，其输入端例如通过USB端口或串口与所述控制处理单元相连。本发明选用带输入输出功能的数据采集卡3可实现不同数据源之间的同步。

控制处理单元用于实现光纤光栅传感器数据(即光纤光栅传感器获得的切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据)和红外图像数据的同步获取，并根据光纤光栅传感器数据和红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量，其包括工控机4和软件平台5。借助于数据采集卡3和工控机上的软件平台5，可实现光纤光栅和红外热像仪信号源的软件同步和硬件同步，实现光纤光栅传感器和红外热像仪数据的同步采集。

具体的，同步采集采用外部硬件触发的形式，例如选用NI 9041数据采集卡(8通道双向数字输入/输出)，分别对光纤解调仪和红外热像仪进行外部硬件触发。当进行测量时，软件系统通过NI 9041数据采集卡发送脉冲指令，对光纤解调仪和红外热像仪进行外部硬件触发采集指令，从而实现对光纤解调仪和红外热像仪的数据的同步采集。

图2为光纤光栅传感器在工件切削区域的粘贴位置，光纤光栅传感器和红外热像仪在同一温度场中，光纤光栅传感器可以方便地实现分布式测量，图2中6表示刀具，7表示待测工件，11表示光纤光栅传感器。光纤光栅优选采用如图2所示的方式布置在工件上，其中，在该布置方式中，共有十五个短线条，十五个短线条表示十五个光栅，是光纤光栅传感器中的敏感元件(测量温度、应变、振动等现象的敏感元件)，分别代表十五个分布式的测量位置。当然也可以用激光直接在光纤上刻蚀不同尺寸和分布的光栅，此时光栅的空间分辨率可进一步降低。

其中，光栅位置的选择对于测量成功与否至关重要。光栅位置的选择主要是依据温度场/应变场的特点，测量之前需要利用有限元法或解析法对切削加工的温度场/应变场进行分析，掌握温度场/应变场的分布情况，然后据此合适的位置布置光栅。例如在加工过程中，靠近刀具尖端(主变形区和第二变形区)的小区域具有较高的温度/应变值和相应的梯度值。因此，这些区域具有较为密集的光栅传感器，而其它区域则布置了较为稀疏的光栅传感器。

下面对本发明的多物理场测量系统的测试过程进行详细的描述。

测试前，用酒精对粘贴光纤光栅传感器的位置处进行清洗，保证没有油污等杂质；根据测量的温度范围，选择合适规格的光纤光栅传感器，例如，对于15波段的光纤解调仪，同一测量通道的一系列光栅，所选择的波长间隔应大于5nm，以避免测量过程中波长的混叠现象；然后选用合适的高温线性胶将光纤光栅粘贴到测量表面；根据封装方式的不同，光纤光栅传感器可以只测量该位置处的温度值，或者也可以同时得到该位置处的温度和应变值。

测量时，工控机4和相应软件平台5控制光纤解调仪12、红外热像仪22和带输入输出功能的数据采集卡3，实现光纤光栅传感器数据和红外图像数据的时钟信号同步。为了保证两者的数据采集同步，采用外部硬件触发的方式，例如选用NI 9041数据采集卡8通道双向数字输入/输出)，分别对光纤解调仪和红外热像仪进行外部硬件触发。当进行测量时，软件系统通过NI 9041数据采集卡发送脉冲指令，对光纤解调仪和红外热像仪进行外部硬件触发采集指令，从而实现对光纤解调仪和红外热像仪的数据的同步采集。

测量后，工控机中的软件平台5利用光纤光栅传感器和红外热像仪的数据实现对温度场、应变场和振动的测量，也可实现多场耦合测量和大数据分析，具体的：

(1)温度场精密测量：

通过接触式测量，分布布置的光纤光栅传感器11对一系列关键位置处的温度进行精确测量，获得关键位置处的精确温度值，红外热像仪21测量得到红外表征温度，软件平台5根据该精确温度值和红外表征温度，计算出关键位置的发射率值；考虑发射率的空间相关性，对发射率进行空间统计建模，即利用软件平台5估计出整个测量区域的发射率空间分布；最后根据标定出的空间发射率值及其不确定性，实现整个测量区域的温度场补偿和精密测量，如图3所示。

(1.1)假设T_FBG为FBG(光纤光栅)测量的表面温度值，该位置的真实温度T₀≈T_FBG，对发射率e_m进行在线标定：

式中，T_r是红外热像仪的指示温度，T_u是环境温度；当红外热像仪的测量波长范围是8～12μm时，n＝3.9889；当波长范围是2～5μm,n＝9.2554对式(1)进行微分，可得到发射率e_m的误差。

(1.2)令e_m(x)表示测量位置x处的发射率值，并假设发射率具有空间相关性，且满足二阶平稳和本征假设，则未测量位置x₀处的发射率e_m(x₀)，可通过下式的空间统计方法得出无偏最优估计值

式中，为了表达的简洁，取f是发射率的相关矩阵F中的元素，β是发射率的空间回归系数向量，上标*表示向量转置，r是发射率的空间回归函数，H是方差函数的逆矩阵；式(2)中r、H和F可通过已知的测量位置x处的发射率值e_m(x)计算得到，而β是未知参数，可通过最小二乘法或其他优化算法计算得出。

(1.3)根据所识别的发射率空间分布样本，实现温度场的精密测量：

式中，表示补偿后的精确温度值。

(2)应变场精密测量：

首先红外热像仪21以低采样率(红外热像仪的采样率为60Hz，远远低于光纤解调仪的2MHz采样率)的方式测量得到红外影像数据，软件平台5利用数字图像相关法(其为现有技术，在此不赘述)将红外热像仪的红外图像转换为位移场和应变场；利用分布布置的光纤光栅传感器11以高采样率(光纤解调仪的采样率达2MHz，时间采样率可达到2MHz，空间分辨率可达到数字图像的子像素精度)方式获得关键位置处的应变值；软件平台5利用贝叶斯信息融合方法在时间域和空间域两个维度上对红外图像的应变场进行精度补偿，实现整个测量区域的应变场精确补偿测量，测量精度达到子像素精度，如图4所示。

(2.1)对于红外热像仪21所记录的数字图像，定义x(t)、y(t)为某个像素粒子在t时刻的位置，经过时间Δt，该像素粒子的位置为x(t+Δt)、y(t+Δt)，则该像素粒子在x方向和y方向的速度分量u、v可按下式计算：

此时，红外热像仪21所获得的应变场ε_IR为：

式中，为偏微分处理。

(2.2)假设ε_FBG为光纤光栅测量应变值，ε_IR为式(5)从红外数字图像中所计算的应变值，建立贝叶斯信息融合模型：

ε＝ε_FBG+h_FBG，ε＝ε_IR+h_IR(6)

式中，h_FBG和h_IR分别反映了光纤光栅和红外技术所测量的应变值误差，假设它们都服从均值为零的高斯噪声，即，以及其中N(，)表示正态分布。

当测量值ε_FBG或ε_IR已知时，则ε的后验概率密度函数建模为：

(2.3)给定测量值ε_FBG或ε_IR的情况下，使用概率模型(7)，对ε进行极大似然估计，得到补偿后应变场值

式中，p(ε|ε_FBG,ε_IR)表示已知测量值ε_FBG或ε_IR情况下的ε的条件概率，可通过全概公式推导得出。

优选地，可选用现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)代替数据采集卡和数字图像采集卡，将软件平台中的数据处理算法硬件化，实现数据处理的时效性。

(3)振动精密测量：

分布布置的光纤光栅传感器11以高采样率(达到光纤解调仪的2MHz采样率)的方式获得关键位置处的应变值；软件平台5对应变时间序列数据进行振动模态分析(其为现有技术，在此不赘述)，得到应变振动信号；软件平台5构造整个测量区域的三维振动场。

(4)多场耦合测量和大数据分析：

本发明将温度场、应变场和振动等多物理场实时构建在一起，软件平台5能够对这三个物理场的变化规律进行分析；通过大数据分析，软件系统可将加工参数和本发明所测量的多物理场建立映射关系，从而从大数据的角度揭示切削加工机理。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。