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。     

基于朗伯比尔定律的血红蛋白浓度介入式监测方法

血红蛋白作为人体不可或缺的蛋白质,其含量是 反映人体血液健康状况的重要生理指标。为准确、 实时监测人体血红蛋白浓度变化,本文搭建了一种介入式血红蛋白浓度监测系统,采用微创 方式对人体血 红蛋白含量进行测量。为提高测量结果的准确度,分别对两个光电探测器的电压采集引入修 正系数:α₁＝0．934 ,α₂＝0．956,修正后的电压值更均匀稳定。对10名异性受试者的血 样均进行连续10 次测量,检测结果的均方差最大为σ＝0．839,表明该血红蛋白浓度监测系统具有较好的稳定性;另外 50名受试者单次测量为一组样本,将测量值与医院检测的真实值进行数据分析,男性受试者 样本的相关系 数为R＝0．887,女性受试者样本的相 关系数为R＝0．900,测量结果具有较 高的可靠性以及有效性。对介入式测定体内局部血红蛋白浓度进行研究,将在临床医疗微创 手术中发挥重要的指导作用。     

GMM-FBG光纤电流传感器温度补偿研究

为解决因超磁致伸缩材料(GMM)磁致伸缩系数 对温度敏感而影响GMM-FBG光纤电流传 感器响应准确度的问题,研究了温度补偿的方法,构建了GMM磁场与温度的多场耦合模型, 进行温度传感实验、电流的通断实验、及不同磁场方向上的电流响应实验,设计了十字形传 感探头,利用垂直磁场方向的GMM的磁场不敏感性进行电流传感器的温度补偿,提高了GMM- F BG光纤电流传感器响应准确度。结果表明:垂直于磁场方向上的传感器中心波长值变化量为 ±0.05 pm,可忽略磁场的影响,温补后的拟合曲线与通断实验的拟 合曲线残差平方和为0.011,几乎完全重合, 可消除温度对GMM-FBG电流传感器的影响,使电流测量更加精确,并实 现电流与温度的同时测量,可满足当代电力系统的应用需求。     

基于近红外光谱在皮瓣移植术后的监测系统

皮下组织血氧参量是反映皮瓣移植术后皮瓣存活状况的重要依据。为了无创、连续、实时地监测皮肤组织氧饱和度，采用近红外光谱法进行了理论分析和实验验证，提出了一种电流-电压(I-V)转换思路并搭建了测量系统。利用该系统进行了稳定性验证实验、前臂静脉阻断模拟皮瓣血管栓塞实验。结果表明，不同人体、不同部位的组织氧饱和度存在微小差异，差异幅度均在0.05左右；静脉阻断下系统组织氧参量发生显著改变，最大降幅0.25。该系统具有较高灵敏度，能够连续测量组织氧饱和度参量、反映组织氧变化趋势，可以为临床检测术后皮瓣血氧运输状态提供重要参考。     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。     

基于菲涅尔反射的磁流体折射率可调谐特性研究

为更好地利用磁流体折射率可调谐特性设计磁流 体光栅、磁流体光纤调制器、磁场传感器等光学器 件,本文通过理论分析,分别从磁场大小、方向、以及温度三个因素对磁流体折射率的可调 谐特性进行研 究。基于菲涅尔反射理论设计了用于测量磁流体折射率的微型封闭反射式传感探头,搭建了 实验系统。采 用已知样品标定法解决系统本征反射的干扰问题,分别调节磁场强度、传感探头与磁场夹角 、温度,对磁 流体折射率进行了测量,并通过磁电效应理论对实验结果进行了分析和验证。结果表明:在 磁场作用下, 磁流体折射率在光束电场与磁场方向呈不同夹角时,磁流体折射率随着磁场强度增大而呈现 出递增和递减 趋势, 平行时递增趋势最明显,磁流体折射率变化0.017,垂直时递 减趋势最明显,磁流体折射率变化 0.015;同时得到了磁流体折射率和温度拟合 优度为0.989的三次多项式方程。该研究结果对磁流体光学器件的结构设计具 有重要意义。