[发明专利]一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头及变形重构算法

权利要求书

1.一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于，包括一根超弹性形状记忆合金镂空螺纹管(100)和一套弯曲机构(110)，所述镂空螺纹管(100)内部设有一套弯曲机构(110)，所述弯曲机构(110)由四个耐高温树脂圆环(120)与超弹性形状记忆合金丝(2)组成，所述耐高温树脂圆环(120)表面设有通孔(220)，所述通孔(220)呈45度分布，所述通孔(220)内部放置超弹性的形状记忆合金丝(2)，所述弯曲机构(110)与所述镂空螺纹管(100)内壁完全贴合，所述弯曲机构(110)顶面与所述镂空螺纹管(100)上端面平齐，所述弯曲机构(110)底面与所述镂空螺纹管(100)下端面平齐；

所述镂空螺纹管(100)内部中心轴线处放置一根高清摄像机镜头线(200)，所述高清摄像机镜头线(200)深入所述镂空螺纹管(100)内部，所述高清摄像机镜头线(200)连接的一端安装有一个高清摄像机镜头(210)，所述高清摄像机镜头线(200)的另一端连接着微型显示屏(300)；

所述镂空螺纹管(100)与所述U形箔(4)通过粘贴剂进行粘贴，所述U形箔(4)内设置有串接的多支光纤传感器(6)，所述U形箔(4)通过高温加热形变成为O形管(5)，所述光纤传感器(6)被所述O形管(5)完全包纳，通过所述光纤传感器(6)测量所述弯曲机构(110)单元的应变值。

2.根据权利要求1所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于，所述U形箔(4)的加工步骤为：采用厚度为0.5mm的形状记忆合金箔，将所述形状记忆合金箔制成一块超薄箔，所述超薄箔被特制模具压成U形，所述U形超薄箔在高温炉里通过热效应训练具有形状记忆效应，在加热情况下转换形态为O形，成为O形管(5)；在降温后，所述O形管(5)能够回复成所述U形箔(4)的状态，将光纤传感器(6)取出。

3.根据权利要求2所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于：所述U形箔(4)与所述镂空螺纹管(100)上表面相切，即所述镂空螺纹管(100)水平放置在所述U形箔(4)下表面，所述U形箔(4)具有优良的延展性。

4.根据权利要求1所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于，所述微型显示屏(300)包括与之相连接的第一视频转接线(310)和第二视频转接线(320)，所述第一视频转接线(310)与所述高清摄像机镜头线(200)契合，且远离弯曲机构(110)；所述第二视频转接线(320)与所述高清摄像机镜头线(200)连接，且与所述第一视频转接线(310)隔开一段距离，不存在交叉，同时第二视频转接线(320)远离所述的弯曲机构(110)。

5.根据权利要求4所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于，所述弯曲机构(110)内部穿入所述高清摄像机镜头线(200)，且与所述镂空螺纹管(100)紧密粘贴固定。

6.根据权利要求4所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于：所述第一视频连接线(310)和第二视频连接线(320)均由光纤材料制成、而且两条视频连接线均柔顺可弯曲。

7.根据权利要求4所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于：所述高清摄像机镜头线(200)位于所述弯曲机构(110)中心轴线处，且所述高清摄像机镜头线(200)与所述弯曲机构(110)圆环中的通孔(220)有一定距离，所述通孔(220)是按照45度分布，所述通孔(220)的深度等于弯曲机构(110)中圆环的高度，且位于所述弯曲机构(110)表面。

8.根据权利要求1所述的一种用于发动机原位检测的FBG传感与驱动一体化的柔顺弯曲探头，其特征在于：所述镂空螺纹管(100)端口附近连接顺滑，并且设置有一定的壁厚。

9.一种如权利要求1所述的柔顺弯曲探头的变形重构算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，等厚度构件弯曲变形，在其上下表面粘贴FBG传感器，得到的该构件表面应变值ε(x)与挠度ω(X)之间的关系如下：

所述c为等厚度构件上表面到中间面的垂直距离，可计算为：

所述ε_t为某点上表面应变值，ε_b为对应位置的下表面应变值，h是镂空螺纹管的厚度，在纯弯曲变形下，同一位置的上下应变绝对值相同，ε_b≈ε_t，将上述公式转换为如下公式：

S2，n个FBG的粘贴将机构划分n-1段，第i段起点与终点处的应变值分别为ε_i、ε_i+1，前一段的终点即为下一段的起点，一段上FBG仅获得首尾两个数据，通过简单的线性插值将离散变连续，得到第i段曲线上每一点的应变值：

S3，机构上表面的第i段起点的转角和挠度已知，第i段转角方程由应变表达式进行一重积分可以获得：

S4，对转角方程进行积分，可以得到弯曲挠度ω：

S5，通过所述S4的表达式，可以求得第一段挠度的表达式，进而获得每一段的挠度，进而获得所有挠度值，重构机构的形状。

S6，分析对象的力学性质，将待求问题的单元划分成若干个微单元，根据相应的力学模型以及力学平衡方程进行单元构造，将所构造的单元进行离散化，划分节点，求解出单元刚度矩阵和单元载荷列阵；

S7，根据所有应变测点的坐标求解计算应变场e，设实测应变场为e^s，根据使计算应变场与实测应变场欧几里得范数最小的原则构造误差函数Φ＝Φ(e，e^ε)，通过求误差函数的最小值推导出Kq＝F；

S8，给出边界条件，根据自然边界条件，对K、F进行处理使得刚度矩阵K为一个满秩矩阵，使K_fq＝F_f，求解

S9，在所述弯曲机构(110)外表面划分出多块节点多边形薄壁单元，所述薄壁单元以若干个节点为顶点，所述节点均按照逆时针方向给定编号；

S10，在所述薄壁单元内建立参考坐标系，坐标原点位于所述薄壁单元形心处，同时建立全局坐标系，同时通过归一化处理建立所述参考坐标系与所述全局坐标系之间的代数关系；

S11，在所述薄壁单元质心处布置FBG应变花，用于测量三个方向上的应变值，包括剪切应变值、拉伸应变值、弯曲应变值，实验采用的应变花布置方式是双面布置，一部分应变花布置在所述弯曲机构(110)的外表面，还有一部分应变花布置在所述弯曲机构(110)的内表面，所述弯曲机构(110)存在一定的壁厚；

S12，通过力学平衡关系构建出形状函数，推导出应变矩阵，将所述薄壁单元节点的各个坐标代入所述应变矩阵中，得到三种类型的应变矩阵，分别是剪切应变矩阵、拉伸应变矩阵以及弯曲应变矩阵；

S13，通过S12所述得到的应变矩阵，代入求解单元刚度矩阵的方程式中，得到单元刚度矩阵，将所述单元刚度矩阵组合成为总刚度矩阵，然后观察所述弯曲机构(110)的边界限制条件，继而将所述的总刚度矩阵进行条件约束；

S14，按照求解所述总刚度矩阵的方法继续求解应力矩阵，同时需要限制边界条件，对应力矩阵进行条件约束；

S15，通过所述S14总刚度矩阵和上述应力矩阵，通过代数公式，求解方程，得到所需要的节点位移，然后通过软件进行位移应变曲线的绘制。