引入曲率与角度校正的柔性机构三维形状多芯光纤重构方法

为提高柔性机构三维位形参数光纤测量精度,提出了基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法。通过引入方向角和曲率校正系数,改进了柔性三维形变多芯光纤重构算法;利用准分子激光器和相位掩膜法制备了多芯光纤光栅传感阵列,建立了多芯光纤三维形状重构实验系统;实验测量了不同曲率比例因子下的形状重构误差,分析了曲率与角度校正前后形状重构误差;通过对应变进行了三次样条插值,并对方向角和曲率进行了校正,得到了形状重构误差平均值为0.74 mm、最大值为1.64 mm;利用校正后的多芯光纤传感系统进行三维螺旋形变重构实验,得出重构精度提高了10.2%。研究结果表明,基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法具有更高精度,在柔性机构三维位形实时监测中具有应用前景。     

螺旋布设光纤光栅的软体操作器形状传感方法

为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量,提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法,螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时,光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法;制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样;搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统;实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下,螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律,并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明:螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°),软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。     

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。     

FBG形状传感器应变传递与传感性能研究

为提高光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的形状重建精度,减小光栅点的重建位置误差,设计了一种FBG传感元件结构。通过建立传感元件应变传递力学模型,推导出平均应变传递率表达式,并结合传感元件有限元仿真模型,分析了相关结构参数对传感元件应变传递率的影响,将有限元仿真与理论计算结果进行对比,验证了理论模型的有效性。进而分析了应变传递率对传感系统形状重建精度的影响,得出当光栅点应变传递率保持在90%以上时,光栅点的重建位置误差将保持在0.08mm内。该研究表明,通过合理控制影响参数,可有效提高传感元件应变传递效率,减小传感系统形状重建位置误差,从而提高光纤形状传感器的形状重建定位精度。     

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。     

基于分布式应变的三芯光纤形态重构算法研究

为了利用分布式光纤传感技术测量的光纤应变进行三芯光纤三维形态重构,设计 了重构算法, 并利用有限元求解数据进行了验证。首先,设计了三芯光纤曲率和弯曲方向采样值的计算方 法,利用三次 样条插值法构建了曲率和挠率连续函数,基于Frenet-Serret框架设计了弧长参数下的空间 曲线公式;然后 构建了三芯光纤有限元模型,求解并提取了单向弯曲和S形弯曲的光纤应变分布数据,并带 入设计的算法 中进行求解,实现了三芯光纤的三维形态重构;最后通过均方根误差和归一化准确度对重构 误差进行了计 算和分析。结果表明,设计的三芯光纤三维形态重构算法误差控制在0.07%以内。该算法还原效果好,精度高,具有一定的理论和工程应用价值。     

基于轴向应变误差修正的FBG形状重构算法

针对轴向应变误差影响光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的重构精度问题,提出了一种基于轴向应变误差修正的形状重构算法。纤芯位置偏差是造成轴向应变误差的主要因素,为了获取光纤形状传感器的纤芯位置偏差,提出了三芯光纤形状传感器的误差理论模型。通过ANSYS Workbench对误差理论模型进行有限元建模仿真,将纤芯位置偏差和标定偏差代入误差理论模型,对存在位置偏差的纤芯轴向应变数据进行修正,并与理想纤芯位置处的轴向应变数据进行对比,证明了该理论模型对存在误差的轴向应变数据具有良好的修正效果。为了计算每个检测点的纤芯位置偏差,根据提出的误差理论模型,提出了一种基于二分法逐次逼近的FBG形状传感器纤芯位置偏差计算方法。仿真结果表明,纤芯位置偏差修正前后重构曲线的最大位置误差从1.74 mm减小到0.10 mm。对于自封装的FBG形状传感器,使用纤芯位置偏差修正前后,重构空间曲线的最大位置误差从19.81 mm减小到7.66 mm。     

多芯光纤光栅形状重构中的扭转校准技术研究

由于多芯光纤光栅制备工艺中的几何缺陷以及封装位置摆放不正确,可能导致不同离散测量点的光纤截面中的纤芯之间产生相对角度偏移,进而产生光纤截面扭转问题。随着三维形状重构距离的增加,该扭转问题会带来形状重构坐标的误差累积,并最终影响三维形状重构的准确性。为此,设计并搭建了相应的形状重构扭转校准实验,以解决该固有扭转问题。实验结果表明,该扭转校准方法拓展了三维形状重构模型的适用范围,提高了重构结果的准确性。     

宽带FBG与自相关算法提高CCD解调精度的研究

为提高光纤光栅解调算法的精度,设计了3 dB带宽在1~3 nm之间的宽带布拉格光栅与自相关算法解调系统,使用线阵CCD检测光谱,进行波长寻峰分析与实验验证。线阵CCD离散像素点之间波长间距固定,宽带布拉格光栅可得到更多有效像素数据点;自相关算法只考虑传感测量时光谱的偏移程度,可抵消背景噪声,消除光栅刻写或封装过程中操作不当引起光谱异常的影响,从而提高光栅中心波长解调精度。温度测量结果表明,使用自相关算法解调啁啾光栅与宽带光栅,误差较高斯算法分别减少54.05%和40.87%,此算法可以使啁啾光栅达到正常光栅的解调精度。并且,使用宽带光栅的解调误差仅为啁啾光栅的50%。     

基于改进压缩感知的缺损光纤Bragg光栅传感信号修复方法

光纤光栅传感在实际的应用中,存在采样信号数据丢失问题,该文提出一种改进重构算法的压缩感知信号修复方法。根据缺损信号特征,选取与之匹配的观测矩阵与稀疏字典。基于压缩感知重构算法,提出匹配光纤布拉格光栅(FBG)信号特征的自适应阈值函数,同时增设阈值判决条件。分析了信号修复与传感测量精度的关系,采用重建信号的寻峰误差来验证信号的修复效果。仿真结果显示,在FBG光谱数据缺失30%的情况下,恢复信号的平均相对误差为10-6;均方根误差为0.0707,比对比算法低0.0232~0.1159;且系统平均运行时间远低于对比算法,表明采用该文算法修复缺损的FBG传感信号具有较高的重构精度与较好的实用性。     

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。     

机器人柔性触手形状的光纤传感及重构方法

为了解决机器人与外界交互时形状感知的需求,本文提出了一种基于FBG的用于解决机器人触手形状感知的方法。采用无粘结剂的形式将光纤光栅植入柔性硅胶片中固定,当柔性硅胶片紧贴所测物体表面时,硅胶片发生的形状变化将带动植入光纤的形状变化。通过光纤波长漂移量和弯曲曲率的关系,结合曲面重构算法构建出所测物体的表面形状,同时对柔性传感器的灵敏度进行了分析。实验证明了形状感知系统的可行性及稳定性,其灵敏度为65.822 pm/m-1,空间分辨率为3 cm,测量误差在2.9 %左右。该传感器结构简单,抗干扰性能良好,可通过改变光纤植入的深度及光栅之间的距离调节其灵敏度和空间分辨率以适应不同的情景,为执行机器人触手形状感知提供了参考。     

基于人工蜂群优化算法的光谱形复用技术

光纤布喇光栅(FBG)在构成大型传感网络时,由于光源带宽有限会出现光谱重叠的问题。提出了一种人工蜂群(ABC)算法及改进ABC(IABC)算法的解调技术,结合谱形复用技术与IABC算法对光谱重叠中的各个光栅的波长进行识别,并对多个FBG传感系统进行实验仿真与分析。实验结果表明:IABC算法在多FBG传感复用系统中的解调误差不超过3.6 pm,解调时间不超过7 s,温度测量精度达0.5℃,解决了多个FBG传感网络部分重叠和完全重叠问题。     

基于数字相关匹配的光纤光栅非对称反射峰解调算法研究

光纤布拉格光栅(FBG)在封装时易出现非对称反射峰,传统拟合方式对此现象解调误差大.针对这一问题提出了一种基于数字相关匹配的光纤光栅解调新算法.采用Matlab仿真和水浴实验对此算法进行了检验,证明该算法的可行性及有效性.实验结果表明:在FBG存在非对称反射峰现象时,所提出的算法比传统高斯拟合算法误差减小约67％.基于数字相关匹配的光纤光栅解调算法扩大了解调算法的运用范围,提高了非对称峰时的解调精度,保持了光纤光栅的有效传感.