单芯光纤、感知监测方法和系统、制造方法及弯曲测量装置与流程

1.本技术实施例涉及光纤光栅传感技术领域，具体的涉及一种单芯光纤、基于该单芯光纤的感知监测方法和系统、单芯光纤的制造方法及弯曲测量装置。


背景技术：

2.目前，针对待测结构三维形状检测，多采用以下两种方式实现：(1)通过常规的圆对称光纤的标量测量方法，常规的圆对称光纤为在光纤上两个预设位置设置有基于纤芯中心对称的光纤光栅传感器；采用多方向布设的常规圆对称光纤来监测三维形状的矢量变化，受待测结构的应变场形变、温度交叉敏感的影响较大，存在测量精度低的缺陷；该方法存在局限性，无法真实准确地反映结构三维形状的矢量变化；(2)特种定制的光纤弯曲传感器，光纤根据待测结构的特殊需要定做，造价高并且辨别三维形状的矢量变化能力不强。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种单芯光纤、基于单芯光纤的感知监测方法、系统、单芯光纤的制造方法及弯曲测量装置，用于解决现有对于待测结构三维形状检测方法检测精度低的问题。
4.本技术实施例的一个方面提供了一种单芯光纤，包括：
5.纤芯，用于传输光信号；所述纤芯上预设有待测量横截面；及
6.多个光纤光栅传感器，周向分布于所述纤芯中，每个光纤光栅传感器平行于所述纤芯的轴线；所述多个光纤光栅传感器各自的中心波长不同；其中，所述多个光纤光栅传感器包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器；
7.所述第一光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第一位置；
8.所述第二光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第二位置；
9.所述第三光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第三位置。
10.可选地，所述多个光纤光栅传感器均匀分布于所述纤芯中，且所述多个光纤光栅传感器均靠近所述单芯光纤的包层，所述包层套设在所述纤芯外面；所述包层外面套设有涂覆层。
11.可选地，所述单芯光纤贴附于待测结构上，所述多个光纤光栅传感器的弯曲方向顺应所述待测结构的弯曲方向；
12.所述待测量横截面上相邻的光纤光栅传感器之间的距离一致。
13.可选地，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置到所述纤芯的轴线的距离一致。
14.可选地，每个光纤光栅传感器均通过飞秒激光器逐点加工刻写而成。
15.可选地，所述多个光纤光栅传感器各自的中心波长相隔至少2纳米。
16.本技术实施例的一个方面又提供了一种基于单芯光纤的感知监测方法，包括上述所述的单芯光纤，所述单芯光纤贴附于待测结构；所述方法包括：
17.通过所述单芯光纤的一端接收工作光源；
18.获取所述工作光源经所述每个光纤光栅传感器反射的光强；
19.基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，进而确定所述待测结构的弯曲方向和弯曲半径。
20.可选地，所述基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，还包括：
21.获取每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的应变反射光强峰值，其中，所述应变反射光强峰值为光纤光栅传感器在发生应变的情形下，光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的光强的最大值；
22.在所述光纤光栅传感器处于初始状态的情形下，获取所述每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的初始反射光强峰值；
23.获取所述每个光纤光栅传感器的模场偏移量；每个光纤光栅传感器的模场偏移量是通过对比该光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和该光纤光栅传感器的初始反射光强峰值得到；
24.获取所述第一光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第一比值以及所述第二光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第二比值，并根据所述第一比值和所述第二比值，得到所述待测量横截面的弯曲方向；及
25.根据所述第三光纤光栅传感器的位置、所述待测量横截面的中心位置、所述弯曲方向以及所述第三光纤光栅传感器的模场偏移量，得到所述待测量横截面的弯曲半径。
26.可选地，所述获取所述第一光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第一比值以及所述第二光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第二比值，并根据所述第一比值和所述第二比值，得到所述待测量横截面的弯曲方向，包括：
27.根据所述第一比值，在所述待测量横截面上确定两个候选位置；
28.根据所述第二比值，从所述两个候选位置中确定其中一个候选位置为目标位置；及
29.根据所述目标位置和所述待测量横截面的中心位置，确定所述待测结构的弯曲方向为由所述待测量横截面的中心位置朝向所述目标位置的方向弯曲。
30.可选地，在所述确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径之后，所述方法还包括：
31.根据所述弯曲方向、所述弯曲半径以及预先构建的所述待测结构的初始三维形状，确定所述待测结构的目标三维形状。
32.本技术实施例的一个方面又提供了一种基于单芯光纤的感知监测系统，包括上述所述的单芯光纤，所述单芯光纤贴附于待测结构；
33.所述系统包括：
34.接收模块，用于通过所述单芯光纤的一端接收工作光源；
35.获取模块，用于获取所述工作光源经所述每个光纤光栅传感器反射的光强；
36.确定模块，用于基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，进而确定所述待测结构的弯曲方向和弯曲半径。
37.本技术实施例的一个方面又提供了一种单芯光纤的制造方法，包括上述所述的单芯光纤，所述单芯光纤包括纤芯以及环绕覆盖所述纤芯的包层和涂覆层，所述涂覆层覆盖在所述包层外面；所述制造方法包括：
38.将所述单芯光纤固定在光纤加工平台上；
39.控制所述单芯光纤在所述光纤加工平台上以预设速度移动；
40.通过飞秒激光器输出飞秒激光，所述飞秒激光透过所述涂覆层和所述包层，以在所述纤芯的第一位置刻写形成第一光纤光栅传感器，在所述纤芯的第二位置刻写形成第二光纤光栅传感器，在所述纤芯的第三位置刻写第三光纤光栅传感器，其中，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置均位于距所述纤芯的中心位置一预设距离处。
41.可选地，所述制造方法还包括：
42.通过电荷耦合元件确认所述飞秒激光在所述纤芯上进行刻写的第一位置、第二位置和第三位置。
43.可选地，所述制造方法还包括：
44.通过旋转所述单芯光纤，使所述飞秒激光分别在所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置刻写形成对应的光纤光栅传感器。
45.本技术实施例的一个方面又提供了一种弯曲测量装置，其特征在于，包括：
46.激光器，用于输出工作光源；
47.如上述所述的单芯光纤，所述单芯光纤包括多个光纤光栅传感器；所述单芯光纤包括纤芯和位于所述纤芯上的多个光纤光栅传感器；所述单芯光纤用于：接收所述工作光源，并通过每个光纤光栅传感器输出对所述工作光源反射的光强；及
48.控制器，连接所述单芯光纤；所述控制器用于：检测所述单芯光纤传输的光强，并根据所述光强进行弯曲测量。
49.本发明实施例提供一种单芯光纤、基于该单芯光纤的感知监测方法和系统、单芯光纤的制造方法和弯曲测量装置，本发明实施例的单芯光纤中的光纤光栅传感器能够无损植入到待测结构中，并通过光纤光栅传感器能够快速实现曲率解调和三维感知判断，通过所述单芯光纤进行弯曲检测的精度较高。通过检测在单芯光纤的每个待测量横截面上的第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器反射光的光强变化，判断每个待测量横截面在三维空间中的弯曲方向和弯曲半径；有效提高对于待测结构的弯曲的检测精度。
附图说明
50.附图用来提供对本技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术，并不构成对本技术的限制。在附图中：
51.图1示意性示出了本技术实施例的单芯光纤的结构示意图；
52.图2示意性示出了本技术实施例的单芯光纤中多个弯曲方向的示意图；
53.图3示意性示出了本技术实施例的单芯光纤中三个光纤光栅传感器的反射光强变化与旋转角度之间的关联的示意图；
54.图4示意性示出了根据本发明实施例的基于单芯光纤的感知监测方法的步骤示例流程图；
55.图5示意性示出了本技术实施例的基于单芯光纤的感知监测方法中得到弯曲方向和弯曲半径的步骤示例流程图；
56.图6示意性示出了本技术实施例的基于单芯光纤的感知监测方法中确定弯曲方向的步骤示例流程图；
57.图7示意性示出了本技术实施例的基于单芯光纤的感知监测系统的框图。
具体实施方式
58.以下结合附图对本技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本技术，并不用于限定本技术。
59.实施例一
60.本技术实施例提供了一种单芯光纤，所述单芯光纤包括：
61.纤芯1，用于传输光信号；所述纤芯上预设有待测量横截面；及
62.多个光纤光栅传感器，周向分布于所述纤芯1中，每个光纤光栅传感器平行于所述纤芯1的轴线；所述多个光纤光栅传感器各自的中心波长不同；其中，所述多个光纤光栅传感器包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器；
63.所述第一光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第一位置；
64.所述第二光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第二位置；
65.所述第三光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第三位置。
66.其中，各个光纤光栅传感器的中心波长设置为相隔2nm(纳米)以上。
67.作为示例，所述多个光纤光栅传感器均匀分布于所述纤芯1中，且所述多个光纤光栅传感器均靠近所述单芯光纤的包层2，所述包层2用于套设在纤芯1外面；所述包层2外面套设有涂覆层3。优选的，多个光纤光栅传感器设置于纤芯1和包层2的边界。
68.如图1所示，单芯光纤包括三层结构：涂覆层3、包层2和纤芯1。示例性的，涂覆层3可以为高分子塑料，包层2和纤芯1均可以由二氧化硅材料制成，其中，纤芯1的折射率比包层2的折射率高，因此，工作光源在单芯光纤中满足预设的传播角度可以在纤芯1进行全反射传播。
69.作为示例，每个光纤光栅传感器均通过飞秒激光逐点加工刻写而成。
70.在本实施例中，光纤光栅传感器是在单芯光纤的纤芯1进行微纳加工，采用飞秒激光器在光纤的纤芯1边缘刻写出并行的多个光纤光栅传感器结构。光纤光栅传感器采用飞秒激光逐点加工刻写而成，加工点的尺寸小于1um(微米)。单个光纤光栅传感器的长度大于1mm(毫米)，每个光纤光栅传感器具有独立的中心波长；在传感器加工过程不剥离单芯光纤的涂覆层3，无需对单芯光纤进行二次涂覆工艺，增强了加工后的光纤光栅传感器的机械强度。
71.作为示例，所述单芯光纤贴附于待测结构上，所述多个光纤光栅传感器的弯曲方向顺应所述待测结构的弯曲方向；所述待测量横截面上相邻的光纤光栅传感器之间的距离一致。
72.作为示例，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置到所述纤芯的轴线的距离一致。
73.在本实施例中，同一待测量横截面上相邻光纤光栅传感器之间的角度为60度，即
每个待测量横截面上的三个光纤光栅传感器均呈现正三角形分布，三个光纤光栅分别位于正三角形的三个顶点处；且每个光纤光栅传感器的位置位于光纤纤芯1上靠近包层2的边界位置。
74.实施例二
75.请参阅图4，示出了本发明实施例之基于单芯光纤的感知监测方法的步骤流程图。其中，单芯光纤为上述实施例中所述的单芯光纤，单芯光纤包括纤芯。可以理解，本方法实施例中的流程图不用于对执行步骤的顺序进行限定。下面以控制器为执行主体进行示例性描述，其中控制器可以为单片机、计算机设备等，具体如下：
76.所述单芯光纤贴附于待测结构；所述待测量横截面的第一位置设有第一光纤光栅传感器，所述待测量横截面的第二位置设有第二光纤光栅传感器，所述待测量横截面的第三位置设有第三光纤光栅传感器，每个光纤光栅传感器平行于其所在的待测量横截面的法线；其中，待测量横截面的法线与纤芯的轴线共线；所述每个光纤光栅传感器各自的中心波长不同。如图4所示，所述基于单芯光纤的感知监测方法可以包括步骤s100～s104，其中：
77.步骤s100，控制所述单芯光纤的一端接收工作光源。
78.举例而言，工作光源可以为发射波长为520nm的激光。
79.步骤s102，获取所述工作光源经所述每个光纤光栅传感器反射的光强。
80.在本实施例中，光强表示工作光源经光纤光栅传感器反射在待测量横截面上的光的能量强度。在工作光源在单芯光纤中满足预设的传播角度以实现全反射传播的情形下，输入的工作光源在每个光纤光栅传感器所在的待测量横截面上会形成一定的能量强度分布，光的能量在波导截面上的能量强度分布称为模场，单芯光纤的模场一般呈正太高斯强度分布，中间能量强度分布高四周能量强度分布低。需要说明的是，单芯光纤在初始状态，即不弯曲状态时，经光纤光栅传感器反射的模场以光纤纤芯1的中心位置呈现对称分布，具体的，能量以光纤纤芯1中心点呈现标准正太高斯分布。
81.步骤s104，基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，进而确定所述待测结构的弯曲方向和弯曲半径。
82.在本实施例中，在单芯光纤的纤芯1中的第一位置、第二位置和第三位置分别刻写光纤光栅传感器，且同一个待测量横截面上的三个光纤光栅传感器至该待测量横截面的中心位置的距离一致，同一个待测量横截面上相邻的光纤光栅传感器之间的距离一致，同一待测量横截面上相邻光纤光栅传感器之间的角度为60度，每个待测量横截面上的三个光纤光栅传感器均呈现正三角形分布，三个光纤光栅分别位于正三角形的三个顶点处；且每个光纤光栅传感器的位置位于光纤纤芯1上靠近包层2的边界位置。在本实施例中，呈正三角形设置的三个光纤光栅传感器检测的数据规律性更明显，使得数据后续进行弯曲检测的结果更加准确。因此，在本实施例中，可以通过三个光纤光栅传感器的反射的光强的对比获得模场位置偏移后的实际位置，进而获得光纤弯曲方向。当光纤光栅传感器所在位置的光纤弯曲成一定的曲率时，光纤弯曲的方向和光纤光栅传感器的相对强度差异呈相关性。其中，相对强度差异可以理解为是模场差异。
83.为了提高光纤对空间方向的测量准确率，请参阅图5，基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径的步骤s104还可以包括以下步骤s200～s208，其中：步骤s200，获取每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出
的反射光的应变反射光强峰值，其中，所述应变反射光强峰值为光纤光栅传感器在发生应变的情形下，光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的光强的最大值；步骤s202，在所述光纤光栅传感器处于初始状态的情形下，获取所述每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的初始反射光强峰值；步骤s204，获取所述每个光纤光栅传感器的模场偏移量；每个光纤光栅传感器的模场偏移量是通过对比该光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和该光纤光栅传感器的初始反射光强峰值得到；步骤s206，获取同一待测量横截面上所述第一光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第一比值以及所述第二光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第二比值，并根据所述第一比值和所述第二比值，得到所述待测量横截面的弯曲方向；及步骤s208，根据同一待测量横截面上第三光纤光栅传感器的位置、所述同一待测量横截面的中心位置、所述弯曲方向以及所述第三光纤光栅传感器的模场偏移量，得到所述待测量横截面的弯曲半径。其中，单芯光纤的初始状态为不弯曲状态。
84.在本实施例中，通过一个待测量横截面上的两个传感器可以确认该待测量横截面的弯曲方向。由于光纤发生弯曲时，光纤的模场的中心会发生偏移，偏离纤芯1的中心位置，光纤弯曲的角度越大，模场的中心的偏移值越大，且模场偏移量和光纤弯曲半径呈现一定的线性关系；反射光在光纤上的模场偏移方向会根据光纤的弯曲方向呈现在待测量横截面上。因此，在单芯光纤随待测结构后续弯曲的情形下，获取经光纤光栅传感器反射在待测量横截面上的应变反射光强峰值，计算应变反射光强峰值与其对应的初始反射光强峰值之间的差值，可以得到模场偏移量。
85.举例而言，单芯光纤的弯曲半径可以根据同一待测量横截面上的第三传感器来确定该待测量横截面的弯曲半径；弯曲半径可以通过以下公式得到：
86.r＝(ec-ec0)*sinθ，
87.其中，r表示弯曲半径，ec表示第三传感器在应变且处于弯曲状态下的应变反射光强峰值，ec0表示第三传感器在初始状态下的初始反射光强峰值，θ表示为第三传感器与该待测量横截面的中心位置之间的连线与弯曲方向的夹角；通过计算第三传感器的应变反射光强峰值与初始反射光强峰值之间的差值，能够得到第三传感器的模场偏移量；根据模场偏移量代入上述公式，能够计算得到该待测量横截面的弯曲半径。
88.在本实施例中，通过同一待测量横截面上的三个光纤光栅传感器自主感知方向的能力，不依赖于待测结构的力学模型，能够快速、高效、准确地感知待测结构的空间弯曲方向。
89.为了快速、准确地确定光纤的弯曲方向，请参阅图6，所述弯曲方向还可以通过以下操作得到：步骤s300，根据所述第一比值，在所述待测量横截面上确定两个候选位置；步骤s302，根据所述第二比值，从所述两个候选位置中确定其中一个候选位置为目标位置；及步骤s304，根据所述目标位置和所述待测量横截面的中心位置，确定所述待测结构的弯曲方向为由所述待测量横截面的中心位置朝向所述目标位置的方向弯曲。
90.结合图1和图2所示，以该待测量横截面为例，第一光纤光栅传感器为fbg1，第二光纤光栅传感器为fbg2，第三光纤光栅传感器为fbg3。三个光纤光栅传感器在该待测量横截面上呈正三角形分布。在该待测量横截面上建立坐标系，以待测量横截面的中心位置为原点，以如图1所示的x轴、y轴为基准来解释说明光纤的弯曲方向。将fbg1所在的位置定义为
第一点位，将原点指向第一点位的方向定义为第一方向；以fbg1至待测量横截面的中心位置的距离为参考距离，将在fbg2与原点的连线的延长线上与原点相距一参考距离的位置定义为第二点位，将原点指向第二点位的方向定义为第二方向；将x轴正方向上与原点相距一参考距离的位置定义为第三点位，将原点指向第三点位的方向定义为第三方向；将fbg3所在的位置定义为第四点位，将原点指向第四点位的方向定义为第四方向；将在y轴负方向上与原点相距一参考距离的位置定义为第五点位，将原点指向第五点位的方向定义为第五方向；将fbg2所在的位置定义为第六点位，将原点指向第六点位的方向定义为第六方向；将在x轴负方向上与原点相距一参考距离的位置定义为第七点位，将原点指向第七点位的方向定义为第七方向；将在fbg3与原点的连线的延长线上与原点相距一参考距离的位置定义为第八点位，将原点指向第八点位的方向定义为第八方向。
91.以原点和参考半径，从第一点位经过第二点位、第三点位和第四点位到第五点位定义为第一圆弧，第一圆弧的任一位置对应一个第一比值，第一圆弧对应的第一比值的取值范围预先设定为0.5～2，其中，光纤朝向第一方向弯曲时，第一比值为0.5；光纤朝向第五方向弯曲时，第一比值为2；第一圆弧上的位置对应的第一比值沿第一点位往第五点位的方向从0.5逐渐增加至2。
92.以原点和参考半径，从第五点位经过第六点位、第七点位和第八点位到第一点位定义为第二圆弧，第二圆弧的任一位置对应一个第一比值，第二圆弧对应的第一比值的取值范围预先设定为2～0.5，其中，第二圆弧上的位置对应的第一比值沿第五点位往第一点位的方向从2逐渐减少至0.5。
93.以原点和参考半径，从第二点位经过第三点位、第四点位和第五点位到第六点位定义为第三圆弧，第三圆弧的任一位置对应一个第二比值，第三圆弧对应的的第二比值的取值范围预先设定为0.5～2，其中，光纤朝向第二方向弯曲时，第二比值为0.5；光纤朝向第六方向弯曲时，第二比值为2；第二圆弧上的位置对应的第二比值沿第二点位往第六点位的方向从0.5逐渐增加至2。第三圆弧分别与第一圆弧和第二圆弧存在部分重合。
94.以原点和参考半径，从第六点位经过第七点位、第八点位和第一点位到第二点位定义为第四圆弧，第四圆弧的任一位置对应一个第二比值，第四圆弧对应的的第二比值的取值范围预先设定为2～0.5，其中，第四圆弧上的位置对应的第二比值沿第六点位往第二点位的方向从2逐渐减少至0.5。第四圆弧分别与第一圆弧和第二圆弧存在部分重合。
95.在本实施例中，根据计算得到的第一比值确定两个候选位置，其中一个候选位置在第一圆弧上，另外一个候选位置在第二圆弧上；根据第二比值确定另外两个候选位置，其中一个候选位置在第三圆弧，另外一个在第四圆弧上；将重合的两个候选位置所在的位置确定为目标位置；将原点指向所述目标位置的方向确定为该待测量横截面的弯曲方向。通过第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器的感知能力能够快速、准确地定位该待测量横截面的弯曲方向。需要说明的是，单芯光纤在应变弯曲的状态下，由于光纤处于初始状态且未施加预应力，因此，光纤弯曲导致的波长变化量很小，可以忽略。
96.为了更容易理解单芯光纤中第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器反射工作光源的光强和光纤弯曲之间的关系；如图3所示，横坐标表示的旋转度数可以理解为是光纤弯曲的度数，纵坐标的归一化功率可以理解为是与光纤光栅传感器反射的光强相关的周期变化函数的值，其中，归一化功率是通过将与光纤光栅传感器反射
的光强相关的周期变化函数的值限制在预设范围内，如限制在0-3000之间。三个光纤光栅传感器(如图2所示的fbg1、fbg2和fbg3)在光纤弯曲的360
°
(度)范围内呈现周期性变化，且三个光纤光栅传感器的周期变化函数存在120
°
的滞后关系。
97.请参阅图2，下面以三个光纤光栅传感器(如fbg1、fbg2和fbg3)对于光纤的不同弯曲方向的感知能力示例性说明光纤光栅传感器测量弯曲方向的操作。其中，fbg1位于第一点位，fbg2位于第六点位，fbg3位于第四点位。
98.(1)在光纤弯曲的情形下，若fbg1的第一反射光强增加，fbg2的第一反射光强和fbg3的第一反射光强等比例减少，则判断光纤的弯曲方向为原点指向第一点位的方向，光纤朝向第一方向弯曲。
99.(2)在光纤弯曲的情形下，若fbg1的第一反射光强和fbg3的第一反射光强等比例增加，fbg2的第一反射光强减少，则判断光纤的弯曲方向为原点指向第二点位的方向，光纤朝向第二方向弯曲。
100.(3)在光纤弯曲的情形下，若fbg3的第一反射光强增加，fbg1的第一反射光强和fbg2的第一反射光强等比例减少，则判断光纤的弯曲方向为原点指向第四点位的方向，光纤朝向第四方向弯曲。
101.(4)在光纤弯曲的情形下，若fbg1的第一反射光强减少，fbg2的第一反射光强和fbg3的第一反射光强等比例增加，则判断光纤的弯曲方向为原点指向第五点位的方向，光纤朝向第五方向弯曲。
102.(5)在光纤弯曲的情形下，若fbg2的第一反射光强增加，fbg1的第一反射光强和fbg3的第一反射光强等比例减少，则判断光纤的弯曲方向为原点指向第六点位的方向，光纤朝向第六方向弯曲。
103.(6)在光纤弯曲的情形下，若fbg3的第一反射光强减少，fbg1的第一反射光强和fbg2的第一反射光强等比例增加，则判断光纤的弯曲方向为原点指向第八点位的方向，光纤朝向第八方向弯曲。
104.在示例性的实施例中，在弯曲半径一定的情形下，光纤朝向不同方向弯曲时，第一比值和第二比值也不同。举例而言，在弯曲半径一定的情形下，光纤朝向第一方向弯曲时的第一比值远小于光纤朝向第二方向弯曲时的第一比值，光纤朝向第一方向弯曲时的第二比值远小于光纤朝向第二方向弯曲时的第二比值。
105.所述方法还包括：根据所述弯曲方向、所述弯曲半径以及预先构建的所述待测结构的初始三维形状，确定所述待测结构的目标三维形状。
106.在本实施例中，预先根据所述待测结构的轮廓构建所述待测结构的初始三维形状；根据每个待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，确定每个待测量横截面弯曲后的中心位置，并基于所述待测结构的初始三维形状的参数、每个待测量横截面弯曲后的中心位置、弯曲方向和弯曲半径，生成所述待测结构弯曲后的目标三维形状。
107.在发明实施例中的基于单芯光纤的感知监测方法至少具有以下有益效果：
108.(1)单芯光纤中的光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰强、无源、性能稳定等特点，并且可以无损植入到待测结构的内部而不影响待测结构的力学性能；能够快速实现曲率解调以及对三维形状自主感知与诊断，还能够满足结构感知与外形自适应主动控制的需求。
109.(2)在本实施例的基于单芯光纤的弯曲检测方案，不受温度的影响，因此，采用本方案对待测结构进行弯曲检测的准确率更高，保证了测量精度。
110.(3)本发明实施例基于多个光纤光栅传感器的自主感知方向的能力，不依赖于待测结构的力学模型，通用性强，可适用于不同外形的待测结构的弯曲检测。
111.实施例三
112.本技术实施例提供了一种基于单芯光纤的感知监测系统，其中，单芯光纤为上述实施例中所述的单芯光纤，单芯光纤包括纤芯。所述单芯光纤贴附于待测结构；所述单芯光纤的纤芯1上预设有待测量横截面，所述待测量横截面的第一位置设有第一光纤光栅传感器，所述待测量横截面的第二位置设有第二光纤光栅传感器，所述待测量横截面的第三位置设有第三光纤光栅传感器，每个光纤光栅传感器平行于其所在的待测量横截面的法线，其中，待测量横截面的法线与纤芯的轴线共线；所述每个光纤光栅传感器各自的中心波长不同；请参阅图7，所述系统包括：
113.接收模块400，用于控制所述单芯光纤的一端接收工作光源；
114.获取模块402，用于获取所述工作光源经所述光纤光栅传感器反射在对应的待测量横截面上的光强；
115.确定模块404，用于基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，进而确定所述待测结构的弯曲方向和弯曲半径。
116.在示例性的实施例中，所述系统还包括重构模块(未标识)，所述重构模块用于根据所述每个待测量横截面的所述弯曲方向、所述弯曲半径以及预先构建的所述待测结构的初始三维形状，确定所述待测结构的目标三维形状。
117.在示例性的实施例中，所述确定模块404还用于：获取每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的应变反射光强峰值，其中，所述应变反射光强峰值为光纤光栅传感器在发生应变的情形下，光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的光强的最大值；在所述光纤光栅传感器处于初始状态的情形下，获取所述每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的初始反射光强峰值；获取所述每个光纤光栅传感器的模场偏移量；每个光纤光栅传感器的模场偏移量是通过对比该光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和该光纤光栅传感器的初始反射光强峰值得到；获取同一待测量横截面上所述第一光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第一比值以及所述第二光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第二比值，并根据所述第一比值和所述第二比值，得到所述待测量横截面的弯曲方向；及根据同一待测量横截面上第三光纤光栅传感器的位置、所述同一待测量横截面的中心位置、所述弯曲方向以及所述第三光纤光栅传感器的模场偏移量，得到所述待测量横截面的弯曲半径。
118.在示例性的实施例中，所述确定模块404还用于：根据所述第一比值，在所述待测量横截面上确定两个候选位置；根据所述第二比值，从所述两个候选位置中确定其中一个候选位置为目标位置；及根据所述目标位置和所述待测量横截面的中心位置，确定所述待测结构的弯曲方向为由所述待测量横截面的中心位置朝向所述目标位置的方向弯曲。
119.实施例四
120.本技术实施例提供了一种单芯光纤的制造方法，其中，单芯光纤为上述实施例中所述的单芯光纤。所述单芯光纤包括纤芯以及环绕覆盖所述纤芯的包层和涂覆层，所述涂
覆层覆盖在所述包层外面；所述制造方法包括：
121.将所述单芯光纤固定在光纤加工平台上；
122.控制所述单芯光纤在所述光纤加工平台上以预设速度移动；
123.通过飞秒激光器输出飞秒激光，所述飞秒激光透过所述涂覆层和所述包层，以在所述纤芯的第一位置刻写形成第一光纤光栅传感器，在所述纤芯的第二位置刻写形成第二光纤光栅传感器，在所述纤芯的第三位置刻写第三光纤光栅传感器，其中，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置均位于距所述纤芯的中心位置一预设距离处。
124.在示例性的实施例中，所述制造方法还包括：通过电荷耦合元件确认所述飞秒激光在所述纤芯上进行刻写的第一位置、第二位置和第三位置。
125.在示例性的实施例中，所述制造方法还包括：通过旋转所述单芯光纤，使所述飞秒激光分别在所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置刻写形成对应的光纤光栅传感器。
126.在本实施例中，通过光纤加工平台对光纤光栅传感器进行加工；其中，光纤加工平台由飞秒激光器、功率调节装置、光路系统及成像系统构成。飞秒激光器发出的激光经过功率调节装置进行功率调节后，通过光开关控制光路的通断和闭合，使得进行功率调节后的激光进入反射镜反射进入物镜后聚焦，作用放置在三维调节台上的单芯光纤上，进行微纳加工；三维调节台采用高精度电控位移平台，可实现亚微米精度的位移控制。成像系统用于对加工区域进行成像，观察加工的效果。示例性的，成像系统可以为ccd(charge-coupled device，电荷耦合元件)。三维调节平台上固定一对光纤夹持装置，用于夹持固定待加工的单芯光纤，该夹持装置具有360度旋转功能，可根据加工需求精确调节旋转单芯光纤以获取所需的加工面。为了实现光纤360度范围的方向识别，在纤芯1的三个方向分别加工的fbg1、fbg2和fbg3三个光纤光栅传感器，加工的具体操作如下：在第一位置加工完一个待测量横截面上的一个光纤光栅传感器后，旋转120度在第二位置加工第二个光纤光栅传感器，第二个光纤光栅传感器加工完成后，旋转120度在第三位置加工第三光纤光栅传感器。
127.作为示例，所述单芯光纤贴附于待测结构上，所述多个光纤光栅传感器的弯曲方向顺应所述待测结构的弯曲方向；
128.在所述单芯光纤的横截面上的第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器构成待测量横截面，同一待测量横截面上相邻的光纤光栅传感器之间的距离一致。
129.作为示例，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置到所述纤芯1的轴线的距离一致。
130.三个光纤光栅传感器在同一待测量横截面上平行分布，同一待测量横截面上相邻光纤光栅传感器之间的角度为60度，即同一个待测量横截面上的三个传感器的位置关系呈正三角形，且每个光纤光栅传感器的位置位于光纤纤芯1上靠近包层2的边界位置。在本实施例中，呈正三角形设置的三个光纤光栅传感器检测的数据规律性更明显，使得数据后续进行弯曲检测的结果更加准确。
131.实施例五
132.本技术实施例提供了一种弯曲测量装置，包括：
133.激光器，用于输出工作光源；
134.上述实施例所述的单芯光纤，所述单芯光纤包括纤芯和位于纤芯上的多个光纤光栅传感器，所述单芯光纤用于：接收工作光源，并通过每个光纤光栅传感器输出对所述工作光源反射的光强；及控制器，连接所述单芯光纤；所述控制器用于：检测所述单芯光纤传输的光强，并根据所述光强进行弯曲检测。
135.控制器包括光强接收单元和处理器单元，光强接收单元，用于接收单芯光纤传输的光强并识别光强信息，并发送给处理器单元；处理器单元，用于对光纤传输的光强信息进行计算处理，得到最终检测的待测量横截面位置的弯曲方向和弯曲半径。
136.弯曲检测的具体实施方法参照实施例二中基于单芯光纤的感知监测方法，不再赘述。优选地，所述单芯光纤贴附于待测结构上，所述多个光纤光栅传感器的弯曲方向顺应所述待测结构的弯曲方向；所述待测量横截面上相邻的光纤光栅传感器之间的距离一致。弯曲测量装置可用于测量待测结构在待测量横截面位置的弯曲方向和弯曲半径。
137.最后应说明的是：以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单芯光纤，其特征在于，包括：纤芯，用于传输光信号；所述纤芯上预设有待测量横截面；及多个光纤光栅传感器，周向分布于所述纤芯中，每个光纤光栅传感器平行于所述纤芯的轴线；所述多个光纤光栅传感器各自的中心波长不同；其中，所述多个光纤光栅传感器包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器；所述第一光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第一位置；所述第二光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第二位置；所述第三光纤光栅传感器位于所述待测量横截面的第三位置。2.根据权利要求1所述的单芯光纤，其特征在于，所述多个光纤光栅传感器均匀分布于所述纤芯中，且所述多个光纤光栅传感器均靠近所述单芯光纤的包层，所述包层套设在所述纤芯外面；所述包层外面套设有涂覆层。3.根据权利要求2所述的单芯光纤，其特征在于，所述单芯光纤贴附于待测结构上，所述多个光纤光栅传感器的弯曲方向顺应所述待测结构的弯曲方向；所述待测量横截面上相邻的光纤光栅传感器之间的距离一致。4.根据权利要求3所述的单芯光纤，其特征在于，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置到所述纤芯的轴线的距离一致。5.根据权利要求1所述的单芯光纤，其特征在于，每个光纤光栅传感器均通过飞秒激光器逐点加工刻写而成。6.根据权利要求1所述的单芯光纤，其特征在于，所述多个光纤光栅传感器各自的中心波长相隔至少2纳米。7.一种基于单芯光纤的感知监测方法，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的单芯光纤，所述单芯光纤贴附于待测结构；所述方法包括：控制所述单芯光纤的一端接收工作光源；获取所述工作光源经所述每个光纤光栅传感器反射的光强；基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，进而确定所述待测结构的弯曲方向和弯曲半径。8.根据权利要求7所述的基于单芯光纤的感知监测方法，其特征在于，所述基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，还包括：获取每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的应变反射光强峰值，其中，所述应变反射光强峰值为光纤光栅传感器在发生应变的情形下，光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的光强的最大值；在所述光纤光栅传感器处于初始状态的情形下，获取所述每个光纤光栅传感器在其所在待测量横截面上输出的反射光的初始反射光强峰值；获取所述每个光纤光栅传感器的模场偏移量；每个光纤光栅传感器的模场偏移量是通过对比该光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和该光纤光栅传感器的初始反射光强峰值得到；获取所述第一光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第一比值以及所述第二光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第二比值，并根据所述第一比值和所述第二比值，得到所述待测量横截面的弯曲方向；及
根据所述第三光纤光栅传感器的位置、所述待测量横截面的中心位置、所述弯曲方向以及所述第三光纤光栅传感器的模场偏移量，得到所述待测量横截面的弯曲半径。9.根据权利要求8所述的基于单芯光纤的感知监测方法，其特征在于，所述获取所述第一光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第一比值以及所述第二光纤光栅传感器的应变反射光强峰值和初始反射光强峰值的第二比值，并根据所述第一比值和所述第二比值，得到所述待测量横截面的弯曲方向，包括：根据所述第一比值，在所述待测量横截面上确定两个候选位置；根据所述第二比值，从所述两个候选位置中确定其中一个候选位置为目标位置；及根据所述目标位置和所述待测量横截面的中心位置，确定所述待测结构的弯曲方向为由所述待测量横截面的中心位置朝向所述目标位置的方向弯曲。10.根据权利要求9所述的基于单芯光纤的感知监测方法，其特征在于，在所述确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径之后，所述方法还包括：根据所述弯曲方向、所述弯曲半径以及预先构建的所述待测结构的初始三维形状，确定所述待测结构的目标三维形状。11.一种基于单芯光纤的感知监测系统，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的单芯光纤，所述单芯光纤贴附于待测结构；每个光纤光栅传感器平行于其所在的待测量横截面的法线；所述系统包括：接收模块，用于控制所述单芯光纤的一端接收工作光源；获取模块，用于获取所述工作光源经所述每个光纤光栅传感器反射的光强；确定模块，用于基于所述每个光纤光栅传感器反射的光强，确定所述待测量横截面的弯曲方向和弯曲半径，进而确定所述待测结构的弯曲方向和弯曲半径。12.一种单芯光纤的制造方法，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的单芯光纤，所述单芯光纤包括纤芯以及环绕覆盖所述纤芯的包层和涂覆层，所述涂覆层覆盖在所述包层外面；所述制造方法包括：将所述单芯光纤固定在光纤加工平台上；控制所述单芯光纤在所述光纤加工平台上以预设速度移动；通过飞秒激光器输出飞秒激光，所述飞秒激光透过所述涂覆层和所述包层，以在所述纤芯的第一位置刻写形成第一光纤光栅传感器，在所述纤芯的第二位置刻写形成第二光纤光栅传感器，在所述纤芯的第三位置刻写第三光纤光栅传感器，其中，所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置均位于距所述纤芯的中心位置一预设距离处。13.根据权利要求12所述的单芯光纤的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：通过电荷耦合元件确认所述飞秒激光在所述纤芯上进行刻写的第一位置、第二位置和第三位置。14.根据权利要求13所述的单芯光纤的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：通过旋转所述单芯光纤，使所述飞秒激光分别在所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置刻写形成对应的光纤光栅传感器。15.一种弯曲测量装置，其特征在于，包括：激光器，用于输出工作光源；如权利要求1～6中任一项所述的单芯光纤，所述单芯光纤包括纤芯和位于所述纤芯上
的多个光纤光栅传感器；所述单芯光纤用于：接收工作光源，并通过每个光纤光栅传感器输出对所述工作光源反射的光强；及控制器，连接所述单芯光纤；所述控制器用于：检测所述单芯光纤传输的光强，并根据所述光强进行弯曲测量。

技术总结
本发明公开一种单芯光纤、制造方法、感知监测方法和系统以及弯曲测量装置，单芯光纤包括：用于传输光信号的纤芯；纤芯上预设有待测量横截面；及多个光纤光栅传感器，周向分布于纤芯中，每个光纤光栅传感器平行于纤芯的轴线；多个光纤光栅传感器各自的中心波长不同；多个光纤光栅传感器包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器；第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别位于待测量横截面的第一位置、第二位置和；第三位置。本发的单芯光纤中的光纤光栅传感器能够无损植入到待测结构中，并通过光纤光栅传感器能够快速实现曲率解调和三维感知判断，通过单芯光纤进行弯曲检测的精度较高。精度较高。精度较高。


技术研发人员：梁嘉裕 谢建毫 张建平 刘东昌
受保护的技术使用者：深圳伊讯科技有限公司
技术研发日：2022.03.02
技术公布日：2023/9/12