HfO2-SiO2混合膜力学性能

利用离子辅助电子束双源共蒸发工艺方法,制备了SiO2掺杂含量分别为0、13%、20%、30%、40%和100%的六组HfO2-SiO2混合膜。采用纳米压痕法测量了不同组分混合膜的杨氏模量和硬度,并研究了混合膜杨氏模量和硬度随SiO2含量增长的变化规律。结果显示,随着SiO2含量增加,混合膜杨氏模量和硬度均减小,双组分复合材料并联模型可以较好地拟合杨氏模量随混合膜SiO2含量变化关系。为了解释混合膜力学性能随SiO2含量变化规律,对混合膜进行了XRD测试,研究了混合膜微观结构与杨氏模量和硬度的关系,发现结晶对硬度影响显著,对杨氏模量影响较小;用Zygo干涉仪测量了样品的面形,获得了薄膜残余应力随SiO2含量的变化规律,表明SiO2掺杂能减小HfO2薄膜压应力。     

激光二极管群并联驱动电源的研制

介绍一种单片机控制的激光二极管群并联驱动电源，系统包括可调恒流源、过流保护电路、光功率采样与放大电路等部分，结合硬件及软件，实现了激光二极管群的可靠保护与光功率的稳定、准确输出，并且使这若干个激光管互不影响。     

铥激光器腔镜用高损伤阈值氧化物薄膜的研制

2 m波段激光器在环境探测、测风雷达、生物组织切割、光电对抗等领域都有重要的应用价值和前景。而此波段的薄膜通常采用折射率较高的硫化物、砷化物等软膜材料来制备,为了提升该波段薄膜的损伤性能,采用折射率相对较低但能带隙更宽的氧化物材料来制备。利用傅里叶红外光谱仪和弱吸收测试仪分析表征了薄膜中OH基含量的多少和薄膜整体吸收的大小,通过优化工艺,成功制备出了满足2 020 nm的铥(Tm)激光器使用要求的多层介质薄膜。利用微分干涉显微镜观察了经过激光损伤测试薄膜的损伤形貌,结合薄膜中电场分布和应力测试结果,分析探讨了此薄膜的损伤机理,提出进一步优化薄膜损伤特性的方案。     

基于PID和FPGA的宽带增益平坦拉曼放大器的实现

依据积分分离式PID控制原理,设计了基于PID控制技术和FPGA的高精度宽带增益平坦的拉曼放大器(RFA).激光器驱动电流控制精度为0.1 mA,系统温漂小于±25 mK,实现泵浦激光器24 h波长漂移小于±0.02 nm.依据遗传算法,采用5波长大功率LD后向泵浦和100.8 km色散位移光纤(DSF),实现了带宽为90 nm、增益平坦度为0.87 dB的拉曼放大.     

基于光纤光栅的机器人腕部多维力传感器

为实现机器人腕部等关节受力情况的测量,设计了一种十字型光纤光栅多维力传感器,该传感器由两个圆环及两环间呈90°分布的四个相同的等截面悬臂梁及粘贴于其上的光纤光栅组成.分析了传感器的传感原理并使用ANSYS对传感器进行力学仿真分析;研究了传感器不同部位受力时悬臂梁的应变情况;搭建了实验平台,进行了传感器的标定实验和温度补偿研究;通过对仿真数据和试验结果进行数学分析,得出了光纤光栅中心波长漂移量与传感器的受力关系.实验结果显示,该传感器能准确地测量腕部所受力的大小和位置,误差在1.6％以内,且抗干扰能力强,具有较好的稳定性,能在复杂环境中使用.     

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。     

FBG封装材料热膨胀系数对温度传感精度的影响

光纤光栅温度传感器的增敏封装技术是促进其工程化的关键,其中增敏材料的参数特性决定了传感器的精度。讨论了奥氏体不锈钢304材料的热膨胀系数特性,研究了其热膨胀系数随温度变化的关系,分析了线性热膨胀系数对光纤布拉格光栅(FBG)温度传感公式的影响,提出用二次多项式拟合方法修正开槽钢柱封装的FBG温度系数,并搭建系统进行了实验验证。结果表明:同一温度下,实测的传感器中心波长值与采用固定热膨胀系数下的波长值相差较大,且温度越高二者差值越大,100℃时达0.075nm,温度偏差2.58℃;而实测中心波长值与采用线性热膨胀系数下的中心波长值基本一致,二者的二次多项式拟合优度达0.9999。因此,考虑封装材料的热膨胀系数变化特性,采用二次拟合方法将大大提高传感器的测量精度,适用于对温度传感精度要求较高的场合。     

新型光纤光栅传感网络及其MAC协议设计

传统光纤光栅传感网络具有灵活性低、移动性差等缺点.提出采用无线通信方式进行数据传输,构建一个新型的光纤光栅无线传感网络.设计了该传感网络的MAC层协议-FG-MAC(Fiber Grating Media Access Control)协议,并与IEEE 802.11协议在时延、吞吐量和能耗三方面进行了比较分析,结果显示FG-MAC协议更适合该新型传感网络.

Abstract：

The conventional fiber grating sensor network is poor in flexibility, mobility, etc. A novel fiber grating sensor networks is introduced, which is based on wireless data transmission. The FCr-MAC protocol (Fiber Grating Media Access Control) in MAC layer is designed, and is compared with IEEE 802.11 protocol in time delay, throughput, energy consumption. The results indicates FG-MAC protocol is more suitable for the novel fiber grating sensor networks.     

利用光纤偏振分束器和保偏光纤的传感解调系统

提出了一种利用光纤偏振分束器(PBS)和保偏光纤(PMF)中偏振模间干涉原理实现光纤布拉格光栅波长解调的方案,以提高光纤光栅传感解调系统的解调精度和稳定性。运用矩阵光学原理建立了数学分析模型,由此给出了系统输出信号与光纤光栅布拉格波长之间的关系。通过仿真分析,研究了保偏光纤长度、输入光相对于保偏光纤主轴的偏振角度和光纤偏振分束器主轴方位对系统输出信号的影响,明确提出了提高系统灵敏度的方法。根据设计方案搭建了实验系统,并进行了实验验证。结果表明:该设计方案可行,系统的波长分辨率1pm,测量精度1pm,温度可测量范围为90℃。该系统测量精度高,其稳定性优于利用M-Z型干涉仪的解调装置。