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。     

浮空器柔性复合蒙皮形变光纤布拉格光栅传感器应变传递特性

为提高浮空器气囊蒙皮形变光纤布拉格光栅监测的应变传递效率,研究了柔性复合蒙皮光纤光栅应变传递特性。针对柔性复合蒙皮材料结构特征,建立了“光纤光栅—粘贴层—蒙皮结构”三层应变传递模型,推导出应变传递变化函数,通过解析方法和有限元方法对光纤光栅传感器各点应变传递率进行了计算,并分析了粘贴层及蒙皮结构相关参数对应变传递率的影响,得出表面粘贴式光纤光栅传感结构最佳封装参数。研究结果表明,对于传感器中部的应变传递效率,解析和数值方法计算误差小于5%,当粘贴层弹性模量为0.5 GPa、粘贴长度为40 mm、粘贴宽度为6 mm、上下粘贴层厚度分别为0.2 mm和0.1 mm时,光纤光栅应变传递模型封装参数优化后的应变传递率可达97.04%,可满足浮空器气囊形变监测的灵敏度要求。     

大型工程长期健康监测用FBG应变传感器的研究

为研究适于大型工程长期健康监测的耐久性光纤光栅(FBG)应变传感器,提出并实现了传感光纤无机-聚合物-金属的耐久性组合式封装。对传感元件应变传递的理论计算结果表明,光纤的应变传递机制主要依赖于封装结构的无机内核,金属外套用于工程安装初期对无机内核的保护,聚合物主要起这两者间的连接作用,其应变传递机制被抑制,故即使其力学或材料性能发生转异或劣变,亦不对传感器的耐久性产生显著影响;应变测试的理论分析及模型实验结果均表明,相对于普通聚合物封装的FBG传感器,组合式封装传感器的检测精度有明显提高,验证了理论分析结果的可靠性。     

基于光纤光栅的双壁开口模型管桩测试技术研究

针对光纤光栅传感器在模型管 桩试验应用情况, 提出了一种光纤光栅传感器理论灵敏度系数和实验灵敏度系数应变标定方法。结合理论分析 ,在封装FBG 应变传感器前,对模型管桩内、外管进行有限元Abaqus应力分布模拟分析,得到双壁开口模 型管桩对封装 FBG应变传感器没有影响,提高了实验应变测量精度。对模型管桩封装后的FBG应变传感器进 行标定实验, 每次按200逐级加载后并卸载,循环加载5次,得到内外管FBG传感器 应变灵敏度系数分别为2.15 pm/με、2.24 p m/με,且线性度 均达到0.999以上。该方法简单、易操作,可用于光纤光栅应变传感 器在模型管桩试验前的标定,为光纤光栅传感器在试验和工程中应用奠定了基础。     

光纤光栅和静态电阻在静压模型管桩测试中的对比试验研究

为了提高光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratin g,简称FBG)应变传感器测量精度,针对光纤光栅传 感器在模型管桩试验应用情况,提出了一种光纤光栅传感器理论灵敏度系数和实验灵敏度系 数应变标定方 法。该方法通过实验标定微型光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,与理论分析传感器灵敏度 系数进行对比, 同时在模型管桩安装传感器位置粘贴应变片。实验结果表明,标定后的FBG应变传感器测试 结果更加准确, 为基于FBG应变传感器的模型管桩监测技术奠定了基础。同时,该方法适用于FBG传感器应 用与模型管 桩前的标定,可以得到准确反映模型管桩受力变形的真实数据,提高了光纤光栅传感器在模 型管桩试验中 的测量精度。同时,该方法简单、易操作,为光纤光栅传感器在试验和工程中应用奠定了基 础,加快了FBG 传感器在模型管桩荷载传递监测应用的步伐。     

具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

为了解决光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)位移传感器易受温度、振动等外界因素影响而导致测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,以光纤光栅为核心元件,工字型梁、永磁体等为辅助元件研究了一种无接触的FBG位移自校准装置。利用移动端磁铁与位置标定端磁铁位置重合时,工字型梁所受磁力最大,进行位置信息的自校准,进而提高FBG位移传感器的测量重复性和测量精度。通过将自校准装置安装在卷尺结构的位移传感器上,对其传感特性展开实验研究,结果表明：在0～360 mm的测量范围内,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文采用自校准装置在很大程度上提高了FBG位移传感器的测量重复性,为位移传感器的环境适应性优化提供了一种新方法。     

基于逆传播神经网络的光纤布拉格光栅触觉传感

为实现机械手指的复合式触觉传感,以光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件,将压力传感器和温度传感器封装在同一聚合物传感单元中。分析了压力传感器受目标物体温度扰动的特性,同时利用逆传播神经网络对FBG触觉传感信号进行处理,实现了对传感单元表面正向压力的准确识别。仿真与实验结果表明,该方法进一步消除了目标物体温度对应变传感器的影响,减小了应变传感器的不确定性误差,提高了压力测量结果的稳定性和测量精度,补偿后压力传感器的温度漂移率仅为1.2×10-4 nm/℃。将补偿研究应用于机械手指FBG触觉传感阵列,可以有效抑制温度对应变传感的干扰,使得柔性机械手指触滑测量系统具有更加广阔的应用前景。     

多芯光纤光栅形状传感性能与重构误差研究

多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势,结合不同的栅点布设方案,实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理,提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响,利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度,依据模拟仿真的结果,建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明,最大误差出现在尾点处,分别为2.56 cm和1.15 cm,占全长的3.2%和1.4%,平均误差为1.32 cm和0.62 cm,占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近,说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源,在较低的成本范围内实现高性能的检测。     

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。     

表面式光纤布拉格光栅传感器应变传递机理的研究

建立了组合梁与光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变传递的力学试验模型,得出组合梁结构实际应变与表面式光纤布拉格光栅传感器应变的关系。对影响表面式光纤布拉格光栅传感器平均应变传递率的影响因素进行了理论分析,得出胶接层弹性模量,胶接层的宽度以及光纤的粘贴长度对应变传递率影响较大,通过实验确定它们之间的最佳组合,为以后的实际工程应用提供了参考。     

基于FBG的飞机起落架载荷测试技术研究

针对某型飞机起落架三向载荷的监测需求,提出了一种采用光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感和多元线性回归相结合的起落架载荷测试方法。通过对起落架进行有限元仿真分析,得到了不同载荷作用下起落架的应变分布,根据应变分布特征确定FBG应变传感器的布片位置,形成应变传感网络。在此基础上,进行了主起落架地面静态载荷标定试验,并通过多元线性回归的方法形成应变-载荷计算方程组,最后对载荷计算方程组进行了验证性试验。研究结果表明,基于FBG的起落架载荷测试方法能有效反算起落架的三向载荷,反算得到的载荷与施加载荷的相对误差在5%以内,满足实际工程应用需求。     

基于可调谐FP滤波器的光纤光栅解调系统

为了进一步提高光纤光栅解调系统的性能,提出和研究了一种新颖的基于可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器的光纤光栅解调技术,并以此为基础构建了探测系统。系统使用一个固定波长的参考光纤光栅作为波长参考元件,通过对传感光纤光栅与参考光纤光栅的波长测量与差值运算,消除了可调谐FP滤波器腔长漂移对测量精度的影响。给出压电陶瓷电压对应的伸长量,有效地减小了压电陶瓷非线性对测量的影响,提高了光纤光栅波长的测量精度。在测量范围内,最大非线性偏差为0.5%。     

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。     

光纤光栅高温传感器的研究

提出了一种能够测量高温的光纤布拉格光栅（FBG）传感器结构。利用线膨胀系数和长度均不同的两种金属细杆和光纤布拉格光栅设计而成的传感头，能够将被测温度转化为光栅的应变，解调由应变引起的光栅波长漂移，即可得知待测的温度。目前在实验室实现了500℃的动态范围和1℃的温度分辨率，实验结果与理论分析一致。     

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%。