刚性薄膜/柔性基体结构面内压缩屈曲行为数值模拟与分析

在薄膜复合材料的制备和工作过程中,由面内残余应力或外加应力引起各层间的失配应变经常造成薄膜结构的屈曲。针对刚性薄膜/柔性基体这类复合材料结构的屈曲行为,基于复变函数理论建立了结构弹性稳定性分析方法,分别对单轴和双轴面内压应力引起的屈曲特征参数进行数值求解。结果表明临界前屈曲薄膜应力是结构的固有特征,取决于材料和几何参数;在单轴和非等双轴应力作用下,临界前屈曲薄膜应力随薄膜/基体弹性模量比增大而减小,面内仅有一个方向屈曲波数不为零;在等双轴应力作用下,临界前屈曲薄膜应力和无量纲屈曲波长的影响因素由基体/薄膜厚度比决定,任何满足波数方程的屈曲模态都有可能出现。     

基于改进的活动轮廓模型的胸膜接触型肺结节分割

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m~(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m~(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。     

光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m~(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m~(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。     

基于微纳压印的柔性PDMS薄膜传感器设计

利用性能优异的PDMS薄膜制备的新型柔性传感器柔性好、重复度高,可适应复杂曲面,其应用前景也十分广阔。采用PDMS薄膜为柔性基底,填充导电材料碳纤维制备传感元件,使用微纳压印的方法制备V槽形微结构把灵敏度提高到3.5 kPa~(-1);并总结出柔性PDMS薄膜传感器的制备方案,为柔性PDMS传感器的制备提供参考;最后按照实验设计对PDMS薄膜传感器的性能等方面开展了系统的研究。     

无铅BaTiO3/GO/PDMS复合的柔性叉指式压电发电机的设计与试验

传统的压电振动发电机具有工作频带窄,压电陶瓷易碎且含铅等缺陷,无法满足当前微型传感器件可穿戴、小型化、便携式等要求。本文制备了一种高性能的钛酸钡/石墨烯/聚二甲基硅氧烷(BaTiO_3/GO/PDMS)三元无铅压电复合薄膜。GO材料的比表面较大且流动性较强,在铁电材料中易形成微电容从而提高复合薄膜的压电性能。当BaTiO_3/GO/PDMS复合薄膜中GO质量分数为0.6wt%时,复合薄膜的介电常数和导电率分别为185和8.5×10-5 S/m。BaTiO_3/GO/PDMS复合薄膜的剩余极化强度值为13.47μC/cm2,比未添加GO材料时提高了28%。所制备的BaTiO_3/GO/PDMS三元复合薄膜发电机的最大输出电压达7.71V,是BaTiO_3/PDMS二元复合薄膜发电机的2.78倍。将BaTiO_3/GO/PDMS复合柔性纳米薄膜应用于非对称叉指式压电拾振结构,填充GO后非对称叉指式拾振结构的输出电压明显增加,拾振结构的-3dB带宽由未填充GO时的8.7 Hz增加到填充GO后的11.2 Hz。所提出的BaTiO_3/GO/PDMS无铅复合柔性压电纳米发电机在柔性能量采集拾振结构方面具有巨大的应用前景。     

闪耀透射光栅衍射规律的分析和验证

基于标量理论研究了不同槽形角,不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响,推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式,研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较,结果表明:已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)可调谐闪耀透射光栅,应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度,结果显示其波长测量误差在5nm以内。拟合了光栅的等效槽形,验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。     

基于等效层理论的薄膜滤光片中心波长消偏振膜系设计

针对薄膜滤光片倾斜入射时产生的偏振光中心波长分离现象和偏振相关损耗,本文利用等效层理论设计了倾斜入射下中心波长消偏振的100GHz信道间隔滤光片膜系结构,实现了薄膜滤光片的角度和波长调谐。首先通过相位关系分析,计算了滤光片间隔层的消偏振等效折射率,实现了不同偏振光中心波长的对准。然后,根据等效层理论,设计三层对称膜层结构实现了对间隔层中心波长消偏振等效折射率的替换。与原有的五层规整低偏振薄膜滤光片相比,本文提出的膜系结构更为简单,对消偏振等效折射率的替换更为精确。仿真和实验结果表明:该膜系结构的薄膜滤光片能实现0~20°倾斜入射的偏振光中心波长对准,偏振光波长偏离度小于0.03nm,波长调谐范围能达到35nm。     

小直径开缝衬套双轴柔性滚弯成形的三维有限元分析

基于双轴柔性滚弯技术原理,建立了采用0Cr15Ni7Mo2Al材料制备小直径开缝衬套过程的三维有限元模型,以指导实际小直径开缝衬套的制备。利用该模型分析了衬套应力应变分布、刚性轴受力变形情况、衬套成形曲率半径与刚性轴直径的关系及衬套成形曲率半径与带材尺寸的关系,并用滚弯试验验证了该模型的准确性。结果说明:带材滚弯变形随着进给量的增加而更均匀;刚性轴受力随其直径的减小而减小,刚性轴变形程度随其直径的减小而增大;衬套成形曲率半径随着刚性轴直径的增大而增大;衬套成形曲率半径随着带材宽度和厚度的增大而增大。     

植入光纤布拉格光栅的不同杨氏模量软体材料弯曲测量响应特性

为了研究光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)在感知形状变形时,低杨氏模量的柔性材料与高杨氏模量的刚性二氧化硅的结合是否存在刚-柔应变耦合引起的蠕变、应变传递差异等实际问题。采用软体机器人常用的硅胶和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料,制备了4个不同杨氏模量的软体基体,在每个软体基体内植入了3个FBG,形成4个具备形状测量能力的柔性传感器,并进行弯曲测试,然后建立应变传递模型验证了实验结果与理论推导的一致性。结果表明:软体基体和FBG结合时存在刚-柔耦合引起的蠕滑问题,约30 min后趋于耦合稳定。其次,4个柔性传感器内的3支FBG耦合稳定后的波长漂移量均表现出较好的线性和一致性。此外,FBG与基体的刚-柔性差异越大,耦合蠕滑越严重,应变传递引起的波长漂移量越小。其中,最大应变传递率为0.680,最小应变传递率为0.260,最大灵敏度为56.649,最小灵敏度为35.668。研究结果为基于植入式光纤光栅的软体机器人形状测量技术的研究提供了科学参考。     

基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺,提出了用“解析分区法”设计闪耀凹面光栅的衍射效率.该方法能通过确定离子束入射角,在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果.经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角,利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数;以计算结果为依据,利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2,曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅,其中心闪耀角约为9.21°,峰值衍射效率为54.8％@300 nm,250 nm处衍射效率为50％,与“解析分区法”计算结果符合较好.实验结果表明,利用“解析分区法”进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行,能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺,完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作.     

一种可控曲面光栅的研制

提出了一种制作曲面变间距光栅的方法。首先在平面基片上制作光栅,然后通过一种高分子材料(PDMS)作为载体将光栅转移到曲面上,而事先涂在曲面上的混合溶胶-凝胶取代了传统的光刻胶,使得光栅的制作效率大大提高。采用这种方法在曲率半径为100 mm的凹球面基底上制作了平均线密度为80 l/mm的光栅,并用环境扫描电镜以及数字图像处理法检测了光栅的线密度分布。检测结果表明:光栅质量好,条纹清楚,衍射效率也没有降低。所制曲面光栅具有平面光栅和透镜两种光学器件的功能,可用曲面变间距光栅一种光学元件取代透镜和平面光栅两种光学元件,简化了光路,提高了制作效率,降低了成本。     

窄间隙条件下基于光纤Bragg光栅的曲面位移测量

在充分利用光纤Bragg光栅既是敏感元件又是传光元件这一特点的基础上,提出一种在曲面空间间隙小于1 mm的窄间隙条件下,测量两曲面间相对位移的方法。设计一种矩形弹片式传感探头,利用其挠度与应变之间存在的对应关系,通过应变对光栅Bragg波长的调制,获得光栅Bragg波长偏移量与曲面位移之间的线性关系。通过双光纤光栅的应变差动成功消除了光纤Bragg光栅存在的温度干扰问题。结果表明,当曲面相对位移量在0.35～0.85 mm范围内时,测量系统的灵敏度达2.54 nm/mm,线性度优于1%。     

基于应变梯度理论的光栅铝膜本构关系表征及纳米压痕实验

基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型,并逐一表征了相关参数。进行了79g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验,验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设,并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较,结果显示,在有无基底条件下,压痕结果在应力方向上相差0.8倍,在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验,结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明:理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程,有助于在实际光栅刻划过程中减小误差,对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。     

光栅-平面镜型可调式空间外差光谱仪

针对空间外差光谱技术测量光谱范围较窄(10nm左右),制约其应用范围的问题,提出了一种光栅-平面镜结构的可调式空间外差光谱仪系统。该系统将传统的双平面光栅式空间外差光谱仪中的一块光栅换成平面镜,让另一块光栅可旋转来组成可调式结构;通过旋转光栅切换测量波段,展宽其测量范围;对平面镜施加微小俯仰角以确保谱图还原的单值性;从而拓展了仪器的应用范围。搭建了原理样机并对其性能进行了实验验证。结果表明,设计的仪器的光谱范围达到了100nm左右,分辨率优于0.29nm。该仪器结构简单,光栅制作难度低,易于实现谱图还原。另外,通过增加光栅旋转切换次数和引入抑制杂光措施等手段,还可进一步展宽波段范围,提高系统光谱分辨率。     

可调谐F-P腔进行锥形光栅反射带宽解调的应力测量方法

理论分析和实验验证了通过对锥形光栅反射谱进行带宽解调来获得环境应力/应变的可行性,提出了对锥形光栅反射谱采用可调谐F-P腔进行带宽解调的方法,通过应力加载实验对该带宽解调方法进行了验证,并取得了较好的反射带宽解调和应力测量效果。实验证明,该测量系统实现了对温度变化不敏感的应力测量,同时具有较高的灵敏度,应力测量精度为0.060 N。在进一步进行锥形光栅中心反射波长解调的基础上,该方案可实现温度和应力的同时测量。     

用虚光栅移相莫尔条纹法测量小球面曲率半径

随着近代光学、光通信等领域的迅猛发展,光学元器件的微小化已成为一个重要的发展趋势.球面是微小光学元件常见的一种面形.研究了一种基于虚光栅移相莫尔条纹术测量小球面曲率半径的方法.实验以Askania环形球径仪配备的曲率半径为17.92mm的标准凸球面样板为例,利用干涉显微镜拍摄了一幅含有载频的被测球面非接触干涉图,通过运...     

压型板打弯工艺参数研究与优化

以550MPa级、厚度为0.3mm高强度超薄板的压型板打弯过程为研究对象,基于ABAQUS有限元软件显式算法,运用正交实验法分析了打弯工艺的主要参数打弯间距l、模具间隙h和冲压速度v对打弯曲率半径及减薄率、应力、等效塑性应变的影响。研究表明,影响打弯曲率半径的工艺参数显著性次序为l>v>h,影响减薄率的工艺参数显著性次序为h>l>v,影响应力的工艺参数显著性次序为l>h>v,影响等效塑性应变的工艺参数显著性次序为l>h>v;冲压间距为25mm、模具间隙为0.42mm、冲压速度为200mm/s为最优水平组合。     

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。     

机械刻划长焦距凹面金属光栅的研制

对大曲率半径(即长焦距)金属基底凹面光栅的机械刻划技术做了研究。为了刻制长焦距凹面光栅,设计和研制了弹性顶针式光栅刻划刀刀架,它具有适用于刻划平面光栅和长焦距凹面光栅的双重功能。给出了描述光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径与凹面光栅曲率半径、光栅口径、金刚石刀头横向尺寸之间关系的数学表达式,理论分析了光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径的取值范围,研制了10.6 μm激光系统用曲率半径为30 m的凹面金属光栅。检验结果表明,光栅的槽形质量较好,光栅的衍射效率可达96.8%以上。     

压弯光栅线密度检测

对压弯光栅的线密度进行了实验研究。首先制作了大变化率的变线距光栅(约9.2 line/mm),并选取薄玻璃(0.16 mm)作为光栅基底材料。其后采用长程面形仪测试压弯后光栅面形,使用衍射法测试压弯前后光栅线密度,从而得到线密度的变化曲线。实验与理论计算结果误差小于0.41 line/mm rms。