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。     

基于角度偏差自校正的光纤形状传感结构设计

光纤形状传感中FBG的放置角度误差会影响曲率的计算精度,从而增大形状反演的误差。为了实现传感胶棒的角度自校正,设计了一种自校正形状传感结构,在传感胶棒的感知截面上布设9个FBG,以120°等角度间隔作为基准位置,分别提取±10°位置上的应变,从而实现FBG响应与角度偏差的函数映射。提出了一种基于角度偏差自校正算法,通过适应度函数完成对传感参量α与k的阈值优化,实现任意角度偏差的自校正。仿真分析不同α与k条件下的响应关系,发现α具有很好的线性变化特性,k仅随主敏感FBG波动的特性。在单截面实验中,加载0～100 N应力变化后,9个FBG的平均响应度介于[-1.012με/N,0.987με/N]之间。响应度的正负可以表征弯曲方向,相邻FBG的响应也具有很好的线性度。在组合截面实验中,根据反演结果重建传感胶棒三维结构,输出各点位坐标和应力值信息。     

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。     

基于FBG传感器阵列反演结构振动位移的监测方法

针对现有振动位移监测方法易受环境影响且精度不高的问题,提出了一种基于光纤布喇格光栅(FBG)传感器阵列反演结构振动位移的监测方法。该方法使用FBG传感器阵列获取结构振动过程中的多点应变和单点加速度数据,先利用基于正交曲率的曲线重构算法和获得的应变数据重构结构各点的动态位移,然后运用卡尔曼滤波算法将曲线重构算法导出的位移数据与同位置处的单点加速度数据相融合,获得更为准确的位移数据。实验结果表明：该方法可成功重构出监测结构任意时刻的振动形态,悬臂铝板和简支管道的振动位移重构相对均方根误差分别小于5.5%和7%。     

应对不规则物体局部温变的柔性阵列压力传感系统

针对柔性压力传感器阵列在形状不规则又局部温变物体表面测量压力时传感量输出漂移的问题,提出了一种采用红外相机与深度相机的非接触式获取柔性压力传感器阵列温度信息与深度信息的补偿手段。采用拟合法建立不同压力下柔性压力传感器阵列传感单元弯曲应变特性与温敏特性的拟合函数,结果表明经弯曲应变、温度联合补偿后,柔性传感器阵列64个传感单元输出阻值的相对误差最大值从85.48%降低到9.23%,补偿后有59个传感单元相对误差小于0.5%,满足本系统精度要求。     

高可靠光纤布拉格光栅传感器网络设计

对采用光纤布拉格光栅(FBG)传感器网络监测某飞机机翼盒段外加载荷位置信息进行了研究。研究了FBG传感器网络中传感器失效对外加载荷位置识别精度的影响程度;针对传统FBG传感器网络拓扑结构可靠性低的缺点,引入光开关,设计了一种具有更高可靠性的传感器网络拓扑结构,并对这两种网络结构的可靠性进行了研究。结果表明,新传感器网络的可靠性明显高于传统传感器网络的可靠性。单个传感器的失效概率不同,两种传感器网络可靠性差别也不同;当单个元器件的失效概率在0.001~0.01之间变动时,若系统允许外加载荷位置识别误差在5 mm内,则新传感器网络的失效率降为传统网络失效率的50%;若系统允许外加载荷位置识别误差在10 mm内,则新传感器网络的失效率至少降低为传统网络失效率的12.5%。     

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。     

光纤Bragg光栅传感系统性能蜕化的研究

为了解决光纤Bragg光栅(FBG)传感器性能蜕化对复用解调结果的影响,从FBG传感器的基本原理及链路出发,分析了FBG自身的光谱蜕化以及光纤链路和光源蜕化对解调结果的影响,提出了利用自适应解调阈值的解决方法,通过模拟仿真以及实验研究证实了相关理论的正确性与方法的可行性,将FBG传感器系统的出错率由原来的10.31%降低为0.63%,极大地提高了应变测量结果的准确性。     

基于脉冲图像传感器的高精度高速目标追踪

针对脉冲图像传感器，提出一种高精度高稳定性的高速目标追踪算法。首先，介绍脉冲图像传感器的原理；其次，结合传感器脉冲密度特性改进传统视觉背景提取（Vibe）算法，去除传统Vibe算法中存在的鬼影和空洞问题，提高运动检测的完整性；然后，结合运动检测，对传统均值漂移（MS）追踪算法进行改进，提高目标追踪的精度和稳定性；最后，通过图像重构完成场景再现与目标追踪。在3个高速场景的实验中：与直接应用于图像序列的传统MS算法相比，所提算法对高速目标的最大追踪误差分别从11.0454降低至2.2361，从14.1421降低至5.0000，从26.1725降低至5.0990；目标追踪的位置标准差从7.9879降低至2.0393，从12.0790降低至2.7454，从14.4591降低至3.5654。综上所述，所提算法能够有效提高目标的追踪精度和追踪稳定性，能更好地适用于脉冲图像传感器。     

光纤Bragg光栅高温传感技术研究

从温度传感理论模型的角度研究了光纤Bragg光栅(FBG)的温度传感特性,推导了封装后的FBG温度传感器的温度响应灵敏度系数的解析式,分析了FBG的高温响应特性,提出了在高温环境中降低FBG的非线性响应效应的方法.实验结果表明,提高基体材料的热膨胀系数能有效降低FBG传感器在高温环境中的非线性的影响.     

Shape reconstruction based on FBG flexible sensor

In this paper, the shape of the object is reconstructed based on the fiber Bragg grating (FBG) flexible sensor encapsulated by polydimethylsiloxane (PDMS) material, and the influence of the number and layout of the sensors on the reconstruction accuracy of the object is studied. The COMSOL simulation software is used to verify the accuracy of the algorithm, and four sensors are prepared to measure and reconstruct the bent aluminum plate under set conditions. The maximum relative error of the shape reconstruction span is 1.203%, and the maximum relative error of the height is 2.802%. The research results provide the application basis for the shape detection of soft robots.     

Shear Strain Influence on Fiber Bragg Grating Measurement Systems

Fiber Bragg grating (FBG) sensors have become commercially available sensors for the measurement of temperature, strain, and many other quantities. One interesting application is the embedding of these sensors, during which shear strains can arise inside the sensor. As we have recently demonstrated by a full-tensor coupled-mode analysis, shear strains do influence the spectral response of fiber Bragg sensors, and thus have to be considered. In this paper, we use the theory behind this analysis to compute the direct influence of shear strains on the output of a FBG measurement system, and show cases where shear strain effects are relevant. Furthermore, we compare the sensitivity of different interrogation algorithms toward shear strain influences on the measurement system output. To model the experimentally relevant unpolarized light sources, we derive a model using the monochromatic waves of coupled-mode theory. We apply the unpolarized light to the FBG shear strain problem and show that for unpolarized light, shear strain has to be taken into account as well. We find absolute measurement errors in the range of 100 pm. For typical normal strain measurements, this would be of an order of 10% of relative error.     

用于数字化标定的光纤光栅应变检测系统

在装配过程中因工件不同摆放方式或夹持方式造成表面形变,为了减小其引起基准点、对接位置等的偏差,采用光纤光栅传感器应变检测方法,设计了基于光纤布喇格光栅(FBG)的3维应变场实时监测系统。通过正交结构FBG应变片组实时监测工件的应变场分布变化,并利用ANSYS仿真分析了工件受力后表面形变偏移量分布。结果表明,仿真分析与视觉检测绝对误差为0.72mm,应变检测与视觉检测结果的绝对误差为0.52mm,均在误差范围内; 对比仿真结果、应变检测结果和视觉检测结果,样本偏差为0.19mm。通过建立3维应变场与工件形变偏移量之间关系,实现了形变偏移量补偿并辅助精密装配。该系统在大型工件数字化精密装配中具有重要作用。     

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。     

Highly Sensitive Liquid-Level Sensor Based on Etched Fiber Bragg Grating

A highly sensitive liquid-level sensor based on etched fiber Bragg grating (FBG) is proposed and demonstrated. The transmission dips of FBG spectra are affected by the fraction of the length of the etched FBG that is surrounded by the liquid. The experiments show that for a liquid-level variation of 24 mm, the transmission dip difference changes about 32 dB. Also in the linear region, a high sensitivity of 2.56 dB/mm is achieved. [All rights reserved Elsevier].     

基于激光位移传感器圆径测量的角度安装误差研究

基于激光位移传感器的工件圆径和圆度测量被广泛应用于工业现场的产品质量检测过程中。文中研究了激光位移传感器的角度安装误差对工件圆径测量结果的影响,并提出校准方法。首先,将定量分析位移传感器的角度安装误差与计算得到的圆径结果的误差之间的关系。其次,提出了一种位移传感器角度安装误差校准方法,该方法可在标准圆圆径未知的情况下,根据不同位置下的3个位移传感器的测量值,精确计算出传感器的角度安装误差。详细说明了该校准方法的建模过程,通过仿真确认角度安装误差校准方法的有效性。最后,利用三坐标测量仪对角度安装误差进行校准。实验结果表明,校准后的圆径测量误差从20 μm提高到1.5 μm。     

Reflector surface deviations in large parabolic antennas

One of the important factors affecting the efficiency of parabolic reflector antennas is the degree to which the surface of the reflector deviates from the true parabolic shape. For a given reflector surface it is also important to locate the focal point of the best-fit paraboloid relative to the existing feed support structure. A simple method is presented for making these measurements, and results are given for a particular 60-ft diameter reflector. Static measurements were made with the antenna axis pointed vertically upwards, and changes were also measured as a function of elevation angle and wind. When the surface errors have a Gaussian distribution relative to the focal point, simple theory indicates that the received power relative to that from a perfect reflecting surface isP/P_{0} = exp -(2pi sigma / lambda)^{2}wheresigmais the standard deviation of the surface errors andlambdais the operating wavelength.     

基于改进型B样条分层插值的汽车零件检测研究

在汽车零件的在线装配过程中,为了减小由理论数模与实际位置之间的偏差导致的装配误差,设计了改进型B样条分层插值算法。首先,根据点云重建曲面的曲率分布对初始数据进行分层,然后再通过三次B样条插值算法获得实际零件点云与数模点云的偏差分布,最后由绝对距离偏差值推导得到路径补偿归一化系数,从而实现对汽车零件自动检测的扫描路径优化。仿真对包含直角、棱边及孔洞特征的零件进行分析,结果显示点云去噪效果良好,重建曲面形貌符合实体零件特征。实验对比了直接重建与采用三次B样条分层插值算法优化后的重建效果,通过对300个测试点的数据统计,三个坐标轴方向的位置优化前后平均误差分别为3.345 mm和0.599 mm。可见,优化后位置预测精度得到了较好的提升,为提高扫描路径精度奠定了基础。     

Counting wavelength demodulation of FBG sensors

Measuring amplitude of signal is the usual method in wavelength demodulation of fiber Bragg grating (FBG) sensors recently. This method is easy to be disturbed and has low precision. In this paper, a novel counting wavelength demodula- tion scheme of FBG sensors using a high birefringent fiber (HBF) loop mirror is reported. This demodulator has simple structure, high precision, cheap price and convenient use. The resolution of the loop mirror device with a HBF of 30 meters long is 0.067 nm. For a center wavelength of FBG of about 1550 nm and a 40 nm shift range of its reflection wavelength, the relative error of measurement is only ± 0.001. This wavelength demodulation device has significance for widespread application of FBG sensors.