光纤光栅与增量极限学习机的航天器结构重构

为了解决航天器板状结构变形的监测问题,建立了结构应变检测与形变重构系统,提出了一种基于准分布式光纤光栅传感器网络和改进型增量式极限学习机相结合的结构形变重构方法.采用光纤光栅应变传感技术,搭建了四边固支平板结构应变检测与形变重构装置,每条通道由12个传感器按照四行三列等距离分布组成,并采用完全粘贴方式提高测量的准确度与稳定性.设计了基于增量式极限学习机的结构形变预测模型,经过训练,该模型能够有效的预测结构变形位移量,结合三次样条插值法,实现了变形曲面的三维重构.采用平均绝对误差以及均方根误差两个精度指标对重构方法进行评价,实验结果表明,该检测装置及形变重构方法在不同的变形状态下的平均绝对误差小于0.05 mm,均方根误差小于0.005 mm,满足航天器结构的形变监测需求.     

电磁力平衡传感器非线性的温度影响与补偿

电磁力平衡传感器的非线性输出主要由动圈附加磁场的影响产生,且随温度变化较大,远不能满足0.1 mg及以下分辨力的电子天平分析称量要求。分析了电磁力平衡传感器非线性产生机理,细致探究了温度对非线性输出的影响,提出了基于双磁钢的新型电磁力平衡传感器温度补偿方法,利用磁路结构的对称性将动圈产生的附加磁场分为上、下两部分形成对消,大大降低了传感器非线性输出。在单温度点下通过对传感器进行非线性校正,能快速、有效地减小补偿误差。实验结果表明,本文采用上述方法研制的电磁力平衡传感器在20℃温度下进行校正后,在温度范围为10~30℃、温度变化速率小于0.3℃/h的恒温室中进行量程50 g、分辨力0.01 mg的半微量分析称量,传感器的示值误差峰值不超过0.05 mg,大大降低了非线性补偿的计算复杂度。     

微纳米级差压式气针传感器的研制

提出一种基于差压式气路的微纳米级分辨力气针传感器的设计和工作原理,并对其静态特性进行了理论分析和实验研究.分析出不同输入压力、不同主喷嘴和测量喷嘴孔径对传感器灵敏度和线性范围的影响大小,从而可获得高灵敏度和大线性范围气针传感器的各参数值.该传感器的测量范围为80 μm,分辨力为0.01 μm,测量不确定度小于0.3 μm,适合于高精度微纳米级非接触尺寸测量场合.本文研究内容可以为高精度气动传感器的设计提供理论和实验依据.     

基于科式惯性力产生原理的机械式角速度传感器

根据科式惯性力产生原理的基本公式F_c=2mv_rω,设计了一套机械式角速度传感器装置。仪器固连在作定轴转动的构件上,同时仪器内部构件作相对直线往复平移运动,引起了两侧贴有应变片的构件的变形,从而产生了科氏惯性力。通过使用动态无线应变测量仪测量构件的变形量,利用力与变形的关系可得到科氏惯性力。利用对心曲柄滑块机构产生相对速度,相对速度可以通过速度传感器进行测量,通过编写运行Matlab程序处理曲柄与连杆长度、滑块行程和科式惯性力等数据,从而达到实时测量角速度的目的。     

滑块-盘接触油膜润滑摩擦力测量

通过加载杠杆与其支承轴承将摩擦力进行放大并传递至力传感器,建立新的滑块-盘接触油膜润滑摩擦力测量系统。使用空气轴承取代推力球轴承支承加载杠杆,明显压缩摩擦力-传感器输出关系中的非线性区域,使整个系统的最低可测摩擦力由80 mN降低至10 mN。实际测量结果表明:当摩擦力大于10 mN,该系统测量的相对误差小于5%。该系统对平面滑块的测量结果与经典理论有很好的一致性,而且显示了侧泄对摩擦-收敛比关系的影响;对阶梯滑块的测量结果表明,该系统可区分润滑油分子结构及黏度指数改进剂对摩擦特性的影响。     

新型耐高温光纤光栅温度传感器

设计并制备一种新型耐高温光纤光栅温度传感器,将光栅用绝热材料封装,通过杠杆结构与铝棒连接.当温度变化时,铝棒受热发生形变对外产生作用力,并通过杠杆结构增大,作用在光栅端,从而使光栅产生应变达到高温测量的效果.该结构摆脱了传统方案不能测量高温的问题,避免由于封装材料及衰退效应致使传感器不能测量高温的问题.经实验测量此传感器的温度灵敏度为0.005 nm/℃,测量温度高达310℃依然保持良好的线性,具有巨大的高温测试测试潜能.     

一种新型纳米光栅传感器的理论研究

为了开发结构简单，抗干扰能力强的纳米测量精度光栅传感器，对基于二次莫尔条纹信号的纳米测量精度光栅传感器的测量原理进行了理论分析，通过仿真计算，其测量分辨力可达到5．40〉（10^10-10m，测量精度可达到纳米级。此外，对指示光栅和标尺光栅不平行时对二次莫尔条纹信号质量的影响进行了理论分析和仿真计算。     

大量程引伸计的优化设计

根据理论公式和实际工艺，通过MATLAB软件进行结构尺寸优化，设计一种量程为100％应变的大量程引伸计。针对目前引伸计的安装方式不能消除载荷偏心影响，且夹持机构易产生附加力矩，导致线性度、重复性差，大量程测量产生不稳定等因素，对现有引伸计夹持机构作出改进。     

新型一维位移工作台的设计及特性分析

研究开发了一种能实现大量程位移和纳米级定位精度的一维位移工作台。工作台采用粗、精两级定位机构,以精密衍射光栅传感器组成工作台位移的闭环检测系统。工作台可以实现0~6 mm 的位移及1 nm的定位分辨力。文中建立了由压电陶瓷驱动和柔性铰链导向的精定位机构的机电耦合模型,进行了精定位机构的模态分析和静力学分析,并采用ANSYS软件进行了有限元仿真运算。最后给出了工作台在表面三维微观形貌测量仪中的应用结果。     

高分辨力分光瞳差动共聚焦传感技术研究

为了提高现有共聚焦传感技术的轴向分辨力、实现微观形貌的高精度测量,在提出分光瞳差动共聚焦传感技术的基础上,对其关键参数优化理论进行了进一步研究,并研制了一种具有最优参数的分光瞳差动共聚焦显微传感器,其融合了分光瞳差动共聚焦显微技术和基于可编辑探测器件的虚拟针孔技术,利用探测区域偏移可使分光瞳共聚焦显微技术轴向特性曲线产生相移这一特性,沿特定方向在探测面上对称设置两个虚拟针孔,通过探测它们的强度响应并进行差动处理实现高轴向分辨力、高定位精度测量。对所研制的传感器进行了轴向响应特性及传感器非线性验证,给出了其轴向相对位移测量公式,还利用所研传感器对实际的高度标准样品进行了测量,经实验验证,所研传感器轴向分辨力可达5 nm,横向分辨力为0.82μm,为微细结构三维表面的高精度测量提供了一种新的传感技术及系统。     

光纤气压传感器特性分析

用双膜盒作气压的敏感元件,将光纤微位移传感器用于检测膜盒随压力变化引起的形变,避免了其他检测膜盒形变方法的缺点,使气压传感器的性能得到改善和优化;为了提高检测灵敏度、降低检测限,使用了双通道光纤传感器,构造了一个气压测量装置,并以标准空气压力计对这种光纤气压传感器的输出变化随气压变化的关系进行了标定,结果表明测量范围可以达到900-1200hpa,分辨率为0.2hpa,精度为±0.1hPa。改变光纤探头到膜盒反射面的初始间隔,实现气压测量区间位置的变化。进一步优化光纤探头的结构参数,可以拓宽大气压力的测量范围。     

基于机械放大式机构的新型纳米位移传感器设计

为了能有效地检测PZT驱动器纳米级的驱动位移,文章提出一种采用基于柔性铰链的多级杠杆放大原理的新型纳米位移传感器。与前三代纳米位移传感器相比,新型传感器采用差动结构以及圆筒状的外形,传感器的这种独特结构赋予其较大的机械放大比;同时,建立了其理想数学模型并计算了机械放大比。为了证明传感器的有效性,对其进行了有限元仿真分析。分析结果表明新型纳米位移传感器具有较大的应变输出,且其位移分辨率将小于3 nm。     

高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器的设计

为提高光纤光栅温度传感器的灵敏度,文中采取纤芯弹光系数大于包层弹光系数的长周期光纤光栅且在其包层外面涂覆一层随温度的升高折射率减小的薄膜材料,同时采用热膨胀系数大的金属封装光栅三种增敏措施。计算表明,增敏后的温度传感器其灵敏度系数为0.2375nm/℃,温度测量分辨力小于0.1℃。     

高精度气动传感器的研究

介绍了气动测量中常用反射式和背压式气动传感器的设计与工作原理。理论分析出提高气动传感器灵敏度和测量范围的方法;通过对影响测量精度主要误差因素的分析,给出相应误差补偿的方法。所研制气动传感器的测量范围为55μm,分辨力为O．02μm,静态误差小于0．25μm,可适用于高精度高分辨力的非接触尺寸测量。     

机械式拉力试验机控制部分的研究分析

介绍了拉力试验机的系统构成,改造设计数据采集装置和测量控制系统。试验表明,在负荷测量中,系统使用应变电桥传感器,采集的信号线性好、分辨率高、响应快;在变形测量中,使用传统的电子引伸计,噪音小、增益高、抗干扰能力强;在位移测量中,使用新型的光电编码器,结构轻巧,测量可靠,可以测量试样夹具位移的全过程;在电气控制中,使用三洋电机伺服驱动器,速度范围大,稳定度高。     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

Superresolution confocal technology for displacement measurements based on total internal reflection

In order to achieve a higher axial resolution for displacement measurement, a novel method is proposed based on total internal reflection filter and confocal microscope principle. A theoretical analysis of the basic measurement principles is presented. The analysis reveals that the proposed confocal detection scheme is effective in enhancing the resolution of nonlinearity of the reflectance curve greatly. In addition, a simple prototype system has been developed based on the theoretical analysis and a series of experiments have been performed under laboratory conditions to verify the system feasibility, accuracy, and stability. The experimental results demonstrate that the axial resolution in displacement measurements is better than 1 nm in a range of 200 nm which is threefold better than that can be achieved using the plane reflector.     

仪用空气弹簧隔振台固有频率的研究

超精密测量对环境振动要求非常严格,其仪器设备中多安装隔振装置。针对课题组圆度仪中使用的仪用小型空气弹簧隔振台,采用理论方法研究其固有频率。首先简化隔振台振动模型,根据该隔振台中约束式膜式空气弹簧的特定结构及相关理论,建立单个空气弹簧数学计算模型,获得单个空气弹簧刚度特性与其垂向变形量x的关系式,最终求得隔振系统的固有频率;同时利用压电式加速度传感器设计振动测试试验,对采集到的加速度信号进行预处理、积分运算、频谱分析,获得该系统的固有频率,两者对比,误差不超过10%,达到预期研究目标。为理论上研究该隔振平台的隔振性能及其耦合振动情况提供理论基础,也对其他类似结构的空气弹簧刚度特性的计算有一定参考意义。     

靶准直器悬臂Y向调整机构受力和变形研究

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件,其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度,需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析,得到结构受力变形的理论关系式,可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性;基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化;利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明:Y向调整机构优化后,靶准直器静态Y向变形由原来的7.9μm减小至小于2μm,动态稳定性满足系统2μm/2h的稳定性要求。同时,试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致,验证了理论和仿真分析的正确性。     

利用超短FBG光谱线性区的传感解调系统

为了研究一种星载光纤光栅传感解调系统,通过高掺锗光纤载氢增敏和优化紫外曝光功率,实现了栅区长度小于0.5mm,反射率大于40%,3dB带宽大于5nm,反射谱边缘有效线性区域大于2nm的超短光纤光栅的写制。提出了一种将超短FBG作为传感器件,利用其光谱线性区进行传感解调的方法。将中心波长位于光谱线性区域的稳频激光入射到超短光纤光栅,随着超短光纤光栅光谱的漂移,反射光的功率随之变化。由于稳频激光位于线性区域,返回光功率与光谱漂移量呈线性关系,因而可实现传感测量。将该系统用于应变和温度的测量,结果表明,光功率随应变、温度变化具有较好的线性关系,线性度分别为0.997和0.999,灵敏度分别为54.59nW/με和230nW/℃。该方法可用于温度及应变的精确测量,并且具有结构简单、功耗小、测量空间分辨率高等潜在优势。