[0001] 本发明属于光纤光栅传感器技术领域，尤其涉及一种基于光栅尺闭环驱动的光纤光栅基片自动标定装置及标定方法。

[0002] 光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器。基本工作原理是光经过光纤进入光栅区域，通过外界量的变化，引发光在光栅区域的多个参量发生改变，如波长、强度、振幅、频率等以此对外界量进行测量，并实现数据传输。光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、不受电磁干扰、测量精度高、易分布式组网、环境适应性好等特点。光纤光栅传感器属安全型产品，广泛用于矿山、桥梁、隧道、深基坑、高边坡、装配式建筑等远程、在线、实时、智能监测中。

[0003] 目前国内外从事光纤光栅传感技术的厂家，普遍采用环氧树脂、光纤光栅和传感基体的方式封装基片，环氧树脂胶水仅通过物理黏结与传感基体结合，结合方式并不牢固而且环氧树脂胶水在高温、高湿、强紫外线、腐蚀性环境中极易损坏脱落。

[0004] 例如中国专利CN112230327A公开了“一种光纤光栅的全玻璃封装装置及封装方法”，以此为基础创新研发的新型光纤光栅传感器基片，解决了当前光纤传感器耐久性、稳定性差等问题。例如中国发明专利申请号：202410068811.9申报了一种局部高温的全硅质光纤光栅基片生产装置及工艺，实现了基片的高效率、高质量、环保生产。

[0005] 然而现基片生产后标定方法为：借助各类传感器外壳，重复拆装基片进行手工标定和分析。拆装过程不仅效率极低，且存在易损坏基片、无法精确控制标定精度、一致性无法保证等问题，分析阶段需将人工设定的位移数据作为X轴，仅依靠丝杠精度控制xz轴精度，将光纤光栅波长数据的阶梯图各阶梯位置进行算术平均后作为基片标定的Y轴，然后进行人工拟合，且基片标定的重复性误差、综合测量精度等均需人工进行分析，分析过程效率低下。为提高基片标定效率、精度、一致性，急需提供一种基于光栅尺闭环驱动的光纤光栅基片自动标定装置及标定方法，以实现基片的高效率、高精度、自动化、批量化标定。

[0041] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0042] 如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供一种基于光栅尺闭环驱动的光纤光栅基片自动标定装置的结构示意图。该光纤光栅基片自动标定装置包括底座1、一体式横梁2、基片固定座3、基片挡板4、基片弹性定位装置5、光纤托盘6、弹性基片7、工作台8、精密斜台9、基片导柱10、基片导柱座11、压紧弹簧12；导轨副13、丝杠副14、伺服电机15、驱动控制及转换系统、光栅尺17、高精度光纤光栅解调仪、自动分析系统和电脑。

[0043] 底座1为板状结构，底座1两侧突出方板作为横梁固定座1‑01，横梁固定座1‑01设置有多个第一螺纹孔1‑02，用于固定一体式横梁2，底座1上平面布设多组导轨副13和丝杠副14，工作台8下平面固定在导轨副13的滑块13‑02上，工作台8下平面与丝杠副14的丝母座14‑02紧密连接，伴随丝杠副14的丝杠14‑01转动，带动丝母座14‑02和工作台8移动，工作台
8上固定有精密斜台9，精密斜台9与基片导柱10通过压紧弹簧12进行紧密接触。

[0044] 一体式横梁2整体为倒扣凹型结构，一体式横梁2两侧为立柱2‑01，一体式横梁2顶部为横梁2‑02，立柱2‑01底部为方台2‑03，方台2‑03上设置有多个第一通孔2‑04，多个第一通孔2‑04用于与底座(1的第一螺纹孔(1‑02固定啮合。立柱2‑01内侧设置有两个板状承台(2‑05，承台(2‑05平面与底座1上面平行设置，承台2‑05上设置有多个第二螺纹孔2‑06，多个第二螺纹孔2‑06用于固定基片固定座3。基片固定座3横跨两个承台2‑05之间设置，基片固定座3上平面设置有多个第二通孔3‑01，用于与第二螺纹孔2‑06啮合；横梁2‑02侧面上设置有多个第一方形凹槽2‑07，用于安装基片弹性固定装置5。

[0045] 基片固定座3为板状结构，基片固定座3上平面设置有多个斜面凹槽3‑02，斜面凹槽3‑02为方形，且其三面为斜面，斜面凹槽3‑02用于作为弹性基片7限位。斜面凹槽3‑02无斜面处开口朝基片固定座3附件安装面；基片固定座3附件安装面设置有多个第三螺纹孔3‑03，分别用于安装基片挡板4和基片导柱座11，基片固定座3上平面斜面凹槽背面设置有直线凹槽3‑04，用于放置弹性基片7的基片光纤7‑03。

[0046] 基片挡板4作为弹性基片7的限位，位于弹性基片7等扭力梁7‑01两侧并留有空间，便于等扭力梁7‑01伸出，用于检测；基片挡板4在基片弹性定位装置5下压过程中和基片弹性定位装置5的微型导轨副501共同起导向作用；弹性基片7中心面与基片导柱座11、基片导柱10中心线共面设置，且导柱直线尖锥10‑01与基片固定座11附件安装面平行，且靠近等扭力梁7‑01末端位置接触弹性基片7，当基片弹性定位装置5压紧时；弹性基片7产生起始弹性变形，便于监测的精确性；基片固定座3两侧安装光纤托盘6，用于存放基片光纤7‑03，避免运行过程中损坏；当丝杠副14运动时，基片导柱10做等比例上下运动，带动弹性基片7产生弹性形变。

[0047] 如图6所示，光栅尺17与驱动控制及转换系统连接闭环控制伺服电机15，丝杠副14由伺服电机15进行驱动，伺服电机15按照驱动控制及转换系统信号执行命令，光栅尺17连接至驱动控制及转换系统，作为闭环驱动的数据传输方式，驱动控制及转换系统将光栅尺数据传输至自动分析系统经软件处理，存储在电脑的固定位置，光纤光栅解调仪与与自动分析系统的电脑连接，经过软件处理实时记录弹性基片7波长数据，并在电脑的固定位置保存多个弹性基片7实时数据文件。

[0048] 如图4和图5所示，基片弹性定位装置5为连杆弹簧导杆机构，基片弹性定位装置5包括：第一连杆轴座501、第一连杆502、第二连杆503、第二连杆轴座504、弹簧上座505、微型导轨506、微型滑块507、调整垫片508、弹簧导杆509、压力弹簧510、基片压紧块511和第三连杆512。

[0049] 第一连杆轴座501固定于横梁2‑02上平面靠近第一方形凹槽2‑07一侧，第一连杆轴座501的第一方台501‑2上设置有半槽口型立柱501‑3，第一连杆轴座501的第一轴孔501‑1与第一连杆502中部的第二轴孔502‑1铰接，且可灵活转动；第一连杆502端部的第三轴孔
502‑2与第二连杆503端部的第四轴孔503‑1铰接，且可灵活转动；第二连杆503另一端部的第五轴孔503‑2与第二连杆轴座504的第六轴孔504‑1铰接，且可灵活转动；第二连杆轴座
504与第一连杆轴座501外形相同；第二连杆轴座504固定于弹簧上座505上平面；弹簧上座
505的背面固定在微型导轨506的微型滑块507上，微型滑块507在微型导轨506上可直线灵活滑动；微型导轨506固定在调整垫片508上，调整垫片508固定在第一方形凹槽2‑07内；弹簧上座505下平面设置有第四螺纹孔505‑1，第四螺纹孔505‑1内啮合安装弹簧导杆509，弹簧导杆509为圆柱型，一端设置有第一外螺纹509‑1；弹簧导杆509外穿压力弹簧510以限制压力弹簧510晃动；压力弹簧510下端接触基片压紧块511上平面，基片压紧块511在与弹簧导杆509对应位置设置有第三通孔511‑01，便于弹簧导杆509伸缩；基片压紧块511背面固定在微型导轨506的微型滑块507上，微型滑块507在微型导轨506上可直线灵活滑动；基片压紧块511下平面与弹性基片7的等扭力梁7‑01连接的方形端部7‑02形状相同。

[0050] 弹簧上座505侧面设置有第五螺纹孔505‑2，第三连杆512为直槽口型，其上圆心位置设置有第七轴孔512‑1，第七轴孔512‑1与弹簧上座505在五螺纹孔505‑2处铰接，且可灵活转动；第三连杆512下圆心位置开始设置有直槽口通孔512‑2，基片压紧块511侧面设置有第七螺纹孔511‑02，第三连杆512的直槽口通孔512‑02和基片压紧块511在第七螺纹孔511‑02处铰接，第三连杆512通过直槽口通孔512‑02控制基片压紧块511的行程范围；调整垫片
508、微型导轨506、微型滑块507、第一连杆轴座501、第二连杆轴座504、弹簧上座505、基片压紧块511、弹性基片7、基片导柱10和基片导柱座11中心面均共面设置。

[0051] 基片导柱座11为双层凸台结构，其底层凸台设置有多个第四通孔11‑01，通过第四通孔11‑01与基片固定座3通过螺纹啮合，将导柱固定座11固定在基片固定座3附件安装面上；基片导柱座11上层凸台靠近端部位置设置有异形孔11‑02，异形孔11‑02为大半圆形截面，其圆弧与弦交叉处为圆角处理。

[0052] 基片导柱10为圆柱形，其上端为直线尖锥10‑01，锥形为直线与导轨副13运行方向垂直，基片导柱10底部为半球面10‑02，半球面10‑02上部设置有圆台10‑03，圆台10‑03上平面与压紧弹簧12下端接触，压紧弹簧12上端与基片导柱座11接触，圆台10‑03上半部分导柱截面与异形孔11‑02形状相同，且与异形孔11‑02精密嵌合。

[0053] 光纤托盘6分布在一体式横梁2两侧，光纤托盘6为凹字形板状结构，其底部延伸安装板6‑01设置有多个第五通孔6‑02，用于与底座1开设的第八螺纹孔1‑03螺纹啮合固定；光纤托盘6上平面设置有多个第二方形凹槽6‑03，用于安置基片光纤7‑03。

[0054] 精密斜台9底部固定在工作台8上平面，精密斜台9底板为方形，精密斜台9底板上平面设置有三角形斜台9‑01，斜面最低线与底板共面。

[0055] 图6结合图1～图5，本发明实施例还提供一种基于光栅尺闭环驱动的光纤光栅基片自动标定方法，光纤光栅基片自动标定方法通过如上述实施例中的一种基于光栅尺闭环驱动的光纤光栅基片自动标定装置实现的，其中，光纤光栅基片自动标定方法包括如下步骤：

[0056] 步骤S1，在恒温环境下，第一连杆502缓慢下压，压力弹簧510缓慢释放，基片压紧块511脱离弹性基片7，基片压紧块511脱离基片挡板4，极限时，基片压紧块511与基片挡板4脱离留有缝隙，放置弹性基片7的方形端部7‑02紧贴基片挡板4，基片光纤7‑03放置在光纤托盘6上；第一连杆502抬起，首先基片压紧块511接触基片挡板4，然后基片压紧块511接触弹性基片7，压力弹簧510开始压缩，弹簧压缩至极限，第一连杆502抬起过极限时，第一连杆502过极限接触调整垫片508，可锁紧机构，避免反弹；将弹性基片7连接至光纤光栅解调仪；

[0057] 步骤S2，启动自动分析系统、驱动控制及转换系统，接收到自动分析系统启动信号，驱动控制及转换系统开始记录比并传输光栅尺17位移数据信息，光纤光栅解调仪开始记录多个弹性基片7波长数据，同时驱动控制及转换系统开始控制伺服电机15驱动丝杠副14自动按照设定行程进行运动，例如0％位置停留10秒，运动至20％位置，20％位置停留10秒，运动至40％位置，40％位置停留10秒，到100％位置停留10秒，运动至80％位置返回至
0％位置停留10秒，循环运行三次；

[0058] 步骤S3，光栅尺17、光纤光栅解调仪采集频率一致、启动停止时间一致，可将两组数据全部手动拟合，分析弹性基片7在位移变化过程中的数据的详细变化；

[0059] 步骤S4，行程运行完成后，自动分析系统分别将存储在对应位置的位移波长数据进行提取；在设置的各个停留时间提取中间数据稳定端，如中间5秒进行平均取值，将取值的以共同的时间点的平均后的行程数据作为X轴，X轴往返行程成为流程，将平均后的光纤光栅解调仪基片数据作为Y轴；

[0060] 步骤S5，分别取各点数据平均值，进行分段线性拟合，桌面显示第一循环进程、回程、全程；第二循进程、回程、全程；第三循进程、进程、回程、全程的拟合曲线和拟合结果的斜率、截距、线性度进行显示；将各循环的各点数据的平均值再次进行算术平均，生成拟合曲线、拟合结果的斜率、截距、线性度等；拟合公式为：y＝ax+b；自动输出拟合曲线图和拟合结果文本数据，根据三次循环数据分析显示重复性误差、线性度、综合测量精度。其中，y应变波长，x为微应变量，系数a为绘制拟合曲线的斜率，b为微应变量x为0时对应的波长值y，参考图7。

[0061] 一种基于光栅尺闭环驱动的光纤光栅基片自动标定方法还包括：步骤S6，第一连杆502缓慢下压，压力弹簧510缓慢释放，基片压紧块511脱离弹性基片7，基片压紧块511脱离基片挡板4，抬升到达极限时，基片压紧块511与基片挡板4脱离留有缝隙，取下弹性基片放置弹性基片7。

[0062] 在一种实施例中，可将丝杠副、导轨副更换为直线电机、高精度齿轮齿条、环形带、链轮等驱动方式。在另外一种实施例中，标定过程中距离、时间、起点等标定程序可自行设置，不局限于举例流程。

[0063] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内；本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。