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。     

多芯光纤光栅形状重构中的扭转校准技术研究

由于多芯光纤光栅制备工艺中的几何缺陷以及封装位置摆放不正确,可能导致不同离散测量点的光纤截面中的纤芯之间产生相对角度偏移,进而产生光纤截面扭转问题。随着三维形状重构距离的增加,该扭转问题会带来形状重构坐标的误差累积,并最终影响三维形状重构的准确性。为此,设计并搭建了相应的形状重构扭转校准实验,以解决该固有扭转问题。实验结果表明,该扭转校准方法拓展了三维形状重构模型的适用范围,提高了重构结果的准确性。     

多芯光纤形状传感研究进展

多芯光纤在空分复用方面独特的优势引起了人们越来越多的关注,在光纤传感领域也有了更为广泛的应用.多芯光纤形状传感是一种新的光纤感测技术,该技术通过多芯光纤感知被测对象形状和位置的变化,无需依靠其他视觉辅助手段,此外,该技术还具有结构紧凑灵活、不受电磁干扰、易集成安装、传感器无电学连接的优点,可用于航空航天、工业机械和大型...     

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。     

多芯光纤光栅写入技术研究进展

为了进一步增加光纤通信容量,作为空分复用实现方案之一的多芯光纤技术吸引了人们越来越多的研究兴趣.与此同时,基于多芯光纤的各种新型有源、无源光器件也不断涌现.其中,多芯光纤光栅,由于结合了多芯光纤与光纤光栅的独特优势,为新型全光纤器件的设计和应用提供了多种可能,在光纤通信、光纤传感、光纤激光器等领域具有广泛的应用空间.本...     

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。     

基于WOA的FBG形状传感器铺设角度偏差自矫正模型

FBG形状传感器的铺设角度偏差导致曲率和挠率测量误差,进而影响形状传感器的重构精度。针对该问题,文章提出了一种基于鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm, WOA)的FBG铺设角度偏差自矫正模型。重构实验验证了所提方法的有效性,不同形状的远端重构误差分别从11.66和22.6 mm降低至5.63和10.47 mm,相对误差分别从2.56%和4.96%降低至1.21%和2.25%,相对误差从2.56%和4.96%降低至0.95%和2.06%。     

多芯光纤熔接与测试研究

多芯光纤(MCF)是空分复用(SDM)技术的重要传输介质,能够数倍地拓展现有单根光纤的通信容量,然而MCF结构复杂度高、测试难度大,尚无测试标准。文章根据MCF的结构特点,结合在MCF开发中的技术经验,规范了MCF的熔接方法以及主要参数的测试方法,为未来MCF的大规模商用化奠定了基础。     

多芯光纤折射率与内应力分布重构技术（特邀）

介绍了一种基于定量相位显微（Quantitative phase microscopy,QPM）法、Brace-K?hler补偿器（Brace-K?hler compensator,BKC）法与机器视觉技术的多芯光纤综合参数测试系统,并利用该系统获得了七芯光纤的折射率分布与几何结构,单模光纤的内应力分布图。采用横向测量方式的QPM法避免了截断光纤造成的损坏,采用改进的BKC法优化了光延迟量的获取方式,结合机器视觉技术,实现了多模块、高空间分辨率、快速准确的光纤参数测量,其中相对折射率差的精度约5×10?4量级,单模光纤内应力测量分辨率约0.5 MPa。通过与既有的光纤产品技术指标对比,证明了该系统具有测量准确性,测试结果为多芯光纤在传输和传感等多领域的应用提供了数据支撑。     

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。     

仿生柔性触角形状感知光纤传感方法研究

为解决智能机器人仿生柔性触角形状感知问题,研究柔性光纤传感方法。建立光纤触觉传感器三维模型,推导出柔性触角探测物体形状的曲率计算公式,建立柔性触角形状传感系统,实验研究光纤布拉格光栅作为传感元件的可行性,分析柔性仿生触角标定误差,得到仿生柔性触角弯曲导致光纤光栅中心波长漂移量与形状曲率的关系,拟合曲线与实际曲线之间的参数偏差小,验证了仿生柔性触角形状光纤传感技术可行性。研究结果表明,光纤传感方法可实现仿生柔性触角形状感知,在智能机器人领域具有应用前景。     

基于PMP的钢轨三维面型复原及表面缺陷检测

随着现代轨道交通高速和重载的发展,轨道磨损问题加剧,对钢轨的外形尺寸及表面缺陷检测的需求也愈加突出。相位测量轮廓术(PMP)具有非接触、高精度、易于自动控制的特点,常用于精密三维面型复原。基于PMP技术及Stoilov相移算法,采集三帧具有固定相移的钢轨外形变形条纹图像,用枝切法进行相位展开,重建了钢轨的三维面型分布,并对钢轨表面人造缺陷进行复原和测量。该方法为轨道磨耗及表面缺陷的高精度在线检测提供良好借鉴。     

光纤傅里叶变换光谱仪中谱线相位误差的乘积法校正

在光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)中由于抽样误差和光纤色散等原因引起相位误差导致谱线畸变.乘积法在频域实现相位误差校正,通过短双边干涉图和单边干涉图分别计算出低分辨率和高分辨率的相位谱及幅度谱,并用两个相位谱差的余弦乘以高分辨率的幅度谱得到相位误差校正的谱.讨论了两种截断函数情况下用乘积法计算得到相位误差校正后的光谱.相位校正后的谱和标准谱线比较,二者基本重合.在光纤色散存在的条件下,乘积法仍然有效地消除了谱图中相位误差,证明了FFTS中乘积法校正相位误差的有效性.该方法比双边干涉图法具有较高的光谱分辨率,光谱的基线并不会因噪声而升高,且比卷积法计算简单、速度快、实时性好,可广泛应用到FFTS中.     

互相关法实现距离选通远距离目标的三维重建

针对距离选通激光主动成像二维切片图像无法提供远距离目标全面空间位置信息的问题,提出了采用阈值法截断灰度级曲线与互相关法提取距离信息相结合的算法对远距离目标进行高精度三维重建。首先,利用阈值法剔除实测灰度级曲线中零值点,从而消除对后续互相关法计算距离值的影响;然后,将每一像素点实测截断灰度级曲线与理想灰度级曲线进行互相关,利用各像素点相关峰值对应的延迟时间推算各点距离值,并结合成像系统参数计算每一像素点的三维坐标;最后,对距离1.2 km处凉亭切片图像进行处理,得到了凉亭目标的三维图像。     

一种同波束多目标测轨的角度修正方法

为解决船载测控设备对同波束内的非主跟踪扩频目标测轨时测角数据偏差大的问题,剖析了现有设备同波束多目标测轨方法的缺陷,提出了一种基于多目标角误差电压的角度修正方法,根据此方法分析了测控过程中获取的外测数据,对实测角度数据进行了修正和定轨反演验证,通过多目标测角信息传输方式的改进实现测角数据的实时修正,有效提高了同波束多目标飞行轨迹测量精度。     

Vibration control of a single-link flexible manipulator using an array of fiber optic curvature sensors and PZT actuators

This paper presents a novel distributed sensing and actuation approach for actively suppressing vibrations within flexible link manipulators. Through vibration suppression, the method acts to regulate the shape of flexible links and, consequently, improves the performance of any independent trajectory controller being employed over the manipulator joints. To demonstrate the approach, a series of piezoceramic actuators (PZTs) are bonded to the surface of a single-link flexible manipulator. Slewing of the flexible link induces vibrations in the link that persist long after the hub stops rotating. The vibration suppression is achieved through a combined scheme of PD-based hub motion control and a PZT actuator controller that is a composite of linear and angular velocity feedback controllers. A Lyapunov approach is used to synthesize the composite controller, and a unique, commercially-available sensor, called ShapeTape^?, that provides the linear and angular velocity feedback. The sensor array is comprised of a series of fiber optic curvature sensors that are laminated on a long, thin ribbon tape which can be embedded into the flexible link and measures the bend and twist of the link’s centerline. Simulation and experimental results show the effectiveness of the proposed approach and the ability of the new sensor to provide the requisite feedback.     

基于光纤传感技术的海洋立管形态重构研究

海洋立管是海洋工程中的重要结构,为了确保立管的正常工作,本文提出了利用弱光纤布拉格光栅传感光缆完成立管形态重构的方法,并利用有限元仿真实验进行了验证。首先将传感光缆按照背负式管道的形式沿立管轴向安装,基于Frenet-Serret框架设计了立管的形态重构算法;然后构建了立管监测有限元模型,求解并提取了多种变形情况下传感光缆内部应变数据,结合算法完成了立管的三维形状重建;最后对形态重构误差进行了分析和计算。结果表明,设计的立管形态重构方法的尾端误差控制在1.7%以内。该方法的立管形态重建效果较好,监测形式简单,具有一定工程应用价值。