柔性复合基体光纤布拉格光栅曲率传感器

面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求,提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中,并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合,形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块,实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律,分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明:硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量,最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加,传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性,可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。     

仿生柔性触角形状感知光纤传感方法研究

为解决智能机器人仿生柔性触角形状感知问题,研究柔性光纤传感方法。建立光纤触觉传感器三维模型,推导出柔性触角探测物体形状的曲率计算公式,建立柔性触角形状传感系统,实验研究光纤布拉格光栅作为传感元件的可行性,分析柔性仿生触角标定误差,得到仿生柔性触角弯曲导致光纤光栅中心波长漂移量与形状曲率的关系,拟合曲线与实际曲线之间的参数偏差小,验证了仿生柔性触角形状光纤传感技术可行性。研究结果表明,光纤传感方法可实现仿生柔性触角形状感知,在智能机器人领域具有应用前景。     

变体飞行器柔性复合蒙皮植入式光纤形状传感

针对变体飞行器变形机翼气动外形监测需求,提出一种植入式柔性复合蒙皮形状光纤传感方法。通过将光纤光栅传感器植入硅胶薄层,并与聚氯乙烯薄片组成复合蒙皮。建立柔性蒙皮形状传感系统,采用光纤传感解调系统,实验测得不同翼型下柔性蒙皮中光纤光栅反射谱特征及其变化规律;计算出柔性蒙皮弯曲曲率,并重建出柔性蒙皮变形三维形状;采用数字摄影测量系统完成对比测试。研究结果表明:柔性复合蒙皮变形光纤传感测量与数字摄影测试误差小于4.62%,光纤传感灵敏度达到245.5 pm/m-1。验证了植入式光纤传感方法的有效性,为变体飞行器变形机翼气动外形监测提供了参考。     

基于FBG的测斜传感器设计与实现

变形监测是进行边坡灾害预警预报的重要依赖手段,为解决当前边坡深部变形监测中存在的不足,研发了一种基于光纤光栅传感技术的测斜仪器。光纤光栅测斜传感器包括刚性单元、柔性感测单元及连接销轴,柔性感测单元为布设有光纤布喇格光栅(FBG)的等强度梁结构,FBG采用在梁表面对称布置的方式以消除温度对测量的影响。边坡内部岩土体变形时,刚性单元随之在连接处发生相对偏转,由柔性感测单元中FBG波长偏移量,利用FBG中心波长与应变、角度的线性关系,得到刚性单元间的相对偏转角度,实现边坡深部变形监测。实验表明,研制的测斜传感器测量单元线性度好,倾角测量灵敏度和分辨率较高,温度造成的误差较小。     

引入应变灵敏度矩阵的探针形状光纤测量方法

介入探针形状监测技术能够为医生在手术中提供重要参考信息,是保证手术安全性的必要手段。为提高介入探针形状测量精度,文中提出一种引入应变灵敏度矩阵的光纤光栅传感阵列介入探针形状测量方法。首先,基于光纤光栅传感理论,分析了植入在探针中光纤光栅波长漂移量与其应变的关系,同时引入了应变灵敏度矩阵,研究了光纤光栅中心波长漂移量与其弯曲曲率的关系。然后,推导了探针的局部单元几何参数关系和坐标转换方程,建立了基于光纤光栅的探针形状测量模型。最后,为了验证引入应变灵敏度矩阵对形状测量精度的影响,对植入光纤光栅传感阵列的介入探针进行了不同弯曲状态下的形状测量实验,对比分析了引入应变灵敏度矩阵前后形状测量的误差。实验结果表明,引入光纤光栅应变灵敏度矩阵可有效提升介入探针的测量精度,在不同弯曲情况下,介入手术探针末端偏移量平均误差降低了1.385 mm,最大误差降低了3.317 mm。文中所提出的基于光纤光栅传感阵列的形状测量方法在介入手术柔性医疗器械的形状重构方向具有广阔的应用前景。     

卫星温度传感器的高可靠性封装

针对卫星在轨温度实时监测对传感器可靠性的要求,提出了一种采用金属基底与陶瓷片结合的光纤光栅温度传感器封装结构和工艺。将光纤光栅弯曲为C字型并粘贴固定于陶瓷薄片上,以避免陶瓷材料热应变引起光栅产生轴向应变影响温度测量精度,陶瓷片用导热胶及硅胶固定于金属槽内,保障其牢固性并良好导热,同时进一步隔离被测部件机械变形及热变形对光栅的影响。地面实验采用恒温水浴槽进行模拟,对不同温度下传感器的反射波长与温度骤变时传感器的响应时间进行标定,并在轨测量了卫星运行时帆板的温度变化过程。结果表明,传感器在满足温度灵敏度、响应速度的同时,满足了卫星温度监测对传感器可靠性的要求。     

光纤光栅在不同基底上的应变灵敏度研究

为实现光纤光栅传感器对基体表面应变的准确监测,在三种不同基底上对同一个光纤光栅传感器进行标定,研究了不同基体对传感器应变传递的影响。实验表明,光纤光栅传感器选用不同的标定基底其应变灵敏度系数是不同的,实际测量时需根据不同的被测对象,选用合适的基体来标定应变灵敏度系数,这样才能真实的反应基体的应变。     

柔性光纤压力传感器的制备工艺与参数研究

为了提高柔性光纤压力传感器的灵敏度和稳定性,对压力传感器结构设计、结构参数及制作工艺进行了研究。制作了基于不同浓度配比和不同固化时间的PDMS柔性光纤压力传感器,对比了不同参数下传感器的性能得出了最佳的配比和固化参数,最后利用光频域反射计（OFDR）测量了光纤应变变化。结果表明,在PDMS基底厚度和固化温度恒定的情况下,浓度配比和固化时间均对柔性光纤压力传感器的灵敏度有影响,并验证了当施加压力的范围为0~276.2kPa,加压的步长为27.6 kPa时,PDMS配比8:1,固化时间2h的传感器灵敏度最高,可达6.25059με/kPa。同时,柔性压力传感器具有柔韧、轻薄、可测量复杂曲面等优点,为航天航海领域弧形物体表面压力测量提供了可靠的解决方案。     

双峰效应光纤光栅薄膜传感器的优化设计

利用双峰谐振效应,通过在长周期光纤光栅(LPFG)包层表面涂覆一层对周围气氛敏感的薄膜,建立了一种新型薄膜传感器,其双峰谐振波长间隔随薄膜折射率的变化而变化.基于三包层光纤光栅物理模型,根据耦合模理论研究了传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参数(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参数(光栅周期Λ、折变量σ)之间的关系.采用最优化数值方法,确定了最佳的膜层光学参数和光栅结构参数.计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-7.     

新型高灵敏长周期光纤光栅溶胶凝胶气敏传感器

通过在长周期光纤光栅包层外涂覆一层溶胶凝胶气敏薄膜,设计了一种新型高灵敏光气敏传感器,折射率分辨率高达10-8.研究了传感器灵敏度随薄膜参数与光栅参量的变化关系,给出了高灵敏度所需的最佳参数设计范围.实验上成功制作了镀膜光纤光栅乙醇传感器.     

PVDF压电纤维仿生柔性传感器水下传感特性研究

感知器官对于许多动物必不可少,尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料,模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能,包括输出不同的波形测试对不同激励的感知,对水动力的感知及对水下运动物体方向的感知。实验结果表明,该传感器对不同激励的感知性能很好,速度检测极限可达0.15 mm/s,且有良好的方向性检测能力,对水下情况感知的应用前景广。     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31~1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU-1,折射率测量精度为2.94×10-5RIU。     

光纤形态传感器研究进展

光纤形态传感技术是解决柔性体形态测量、光电缆实时形态跟踪、医疗介入针轨迹实时跟踪等3D形态恢复问题的创新型技术方案。光纤形态传感技术以光纤作为敏感元件,传感器具有结构简单、易于嵌入安装、测量不需要视觉接触、耐腐蚀,以及抗电磁干扰等优点,适用于水下、地下等复杂环境中的大尺度结构形态测量。近年来,光纤形态传感器受到了越来越多的关注,文章综述了光纤形态传感技术的最新研究进展,以一维曲率传感器、全向型曲率传感器和空间形态传感器为线索,介绍了各阶段传感器的研究现状以及面临的挑战。     

磁流体包覆薄包层光纤光栅磁场传感研究

利用磁流体替代光纤布喇格光栅(FBG)的部分二氧化硅包层,制作了一种磁流体封装薄包层FBG结构的磁场传感器,研究了传感器对磁场和温度的响应特性。结果表明,在5.0～20.0mT的磁场范围内,传感器的波长灵敏度和功率灵敏度分别为34.9pm/mT和-1.063dBm/mT,波长线性响应度达到了99.2%。封装工艺未改变FBG波长随温度线性变化的特性,但受磁流体磁光效应影响,其温度灵敏度减小到9.2pm/℃。该传感器可实现磁场测量中的温度补偿,方法简单、易于实现。     

Flexible and Controllable Piezo‐Phototronic Pressure Mapping Sensor Matrix by ZnO NW/p‐Polymer LED Array

A functional tactile sensing device is essential for next‐generation robotics and human–machine interfaces technologies, since the emulation of touching requires large‐scale pressure sensor arrays with distinguishable spatial‐resolution, high sensitivity, and fast response. Here, a flexible LED array composed of PEDOT:PSS and patterned ZnO NWs with a spatial resolution of 7 μm for mapping of spatial pressure distributions is designed and fabricated. The emission intensity of the LED array sensor matrix is dominated by locally applied strains as indicated by the piezo‐phototronic effect. Therefore, spatial pressure distributions are immediately obtained by parallel‐reading the illumination intensities of the LED arrays based on an electroluminescence working mechanism. A wide range of pressure measurements from 40 to 100 MPa are achieved through controlling the growth conditions of the ZnO nanowire array. These devices may find prospective applications as electronic skins by taking advantage of their high spatial‐resolution, flexibility, and wide pressure mapping range.