微型四旋翼无人机磁测系统误差的两步校准法研究

用于地磁测量的MEMS三轴磁阻传感器越来越普遍的应用到无人机上进行姿态测量,为提高磁测系统的测量精度需要对传感器误差进行分析和补偿。现采用了一种两步校准法,即首先利用基于最小二乘的椭球假设拟合法对三轴矢量磁传感器的零偏、灵敏度与不正交误差进行标定补偿,目的是得到准确正交的传感器坐标系;利用四位置法对标定后传感器坐标系与测量系统坐标系之间的安装误差进行校准,从而得到磁测系统坐标系下的准确测量数据。无磁转台实验表明：经两步法后测量的磁场模值误差均值由校准前的2900nT降低为900nT,校准效果明显;测量系统单轴（Z轴）的误差均值由2736nT降低为49nT,有效的验证了安装误差校准的正确性。通过实验数据比较得出此方法优于传统的摇摆法,实际操作简单,不需要高精度辅助设备,能够有效的应用于无人机姿态测量系统校准,提高姿态角解算精度。     

铁磁晶体磁滞对交变磁场传感器测量精度的影响

详细地分析了铁磁性晶体Ｉｎ－ＢｉＣａＶＩＧ的磁滞对交变磁场光纤传感器测量精度的影响,提出采用偏振光交直流信号和非偏振光多参量同时测量的方法可监测系统静态工作点,有效地减小磁滞的作用,使传感器在晶体剩余磁旋光角为５°时实现精度高达１％的高灵敏度交变磁场测量。     

线结构光三维轮廓测量系统的标定方法

在线结构光360°三维轮廓测量方法中,采用多图像传感器系统可实现物体整体轮廓及局部形貌细节同时高精度测量.为了实现测量系统多传感器同时标定,提出一种线结构光多传感器三维轮廓测量系统的标定方法.以直接线性变换法为系统标定模型,设计含有多特征点的靶标控制场来解算系统模型参数,应用二元全区间插值误差校正方法对物方坐标计算误差进行校正,实现对整个测量系统的标定.并提出了一种基于二维离散傅里叶变换的多分辨率标定靶标特征点提取的新方法.论述了线结构光四传感器测量系统的标定过程.实验结果表明这种标定方法可实现多传感器测量系统高精度同时标定.     

全保偏光纤地磁传感器

采用保偏光纤耦合器等保偏器件，搭建了马赫-曾德尔型保偏光纤干涉仪，在干涉臂中接入磁致伸缩材料粘附光纤结构的保偏光纤磁传感探头，通过磁致伸缩效应探测地磁场引起的光纤中的相位变化，建立了保偏光纤地磁场传感器实验系统，实现了稳定的磁场检测。实验分析了系统相位信号随磁场变化的特性以及频率响应特性，为系统选择适当的交流磁场进行直流磁场检测提供了依据，结果表明该系统最小可检测到1nT量级的磁场。实验测量了地磁场矢量在水平面各方向上的分量大小，得到的实验结果与理论值吻合得较好，证明该系统能够用于基于地磁场测量的定向导航。     

无源光纤脉冲磁场传感器的研制

研制了一种利用BiCaVIG晶体的磁光式光纤磁场传感器,并给出了传感头的基本结构。实测结果表明,在非线性小于±5%时传感器的线性动态范围优于70dB,噪声等效磁感应强度为1.5μT,传感器可用于脉冲弱磁场的测量。采用频谱分析的方法,测出了一种BiCaVIG晶体的法拉第效应动态响应特性,其-3dB频带宽度约为DC～200kHz。     

基于Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感研究

将磁致伸缩材料粘贴单模光纤构成的光纤磁传感探头接入Sagnac光纤环的一端,外加交流磁场将探头周围的直流磁场加载到4.9kHz的高频信号上,建立了基于Sagnac干涉仪的光纤直流磁场传感实验系统.采用锯齿波相位调制的方法,将干涉仪系统相位偏置在π/2附近,通过测量所加高频信号的幅度,实现了对直流磁场的测量.实验得到系统信号稳定性为0.4%,磁场分辨率为4.3nT,并给出36.75g铁块经过磁传感探头时系统的响应信号.     

磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器

基于磁致伸缩效应，利用微分干涉仪，设计了一种光纤电流传感器，可用于高精度，高灵敏度电流和磁场的测量，分析了用磁致伸缩效应实现光纤电流传感器的原理，建立了基于磁致伸缩效应传感头的数学模型，并通过实验对光纤电流传感器的输入－输出特性，直流偏置特性和精确度等进行了研究，在8－200A的电流测量范围内，测量比差约为0．5％。     

三分量磁通门传感器非正交性误差校正

静态磁场测量中,由于三分量磁通门传感器的非正交性,使得高分辨率测量要求不能得到满足,必须校正其测量误差。通过分析三分量磁通门传感器非正交性误差,给出其数学模型描述,提出了一种基于实数编码遗传算法的校正方法。应用于三分量磁通门传感器非正交性误差的校正,提高了传感器磁场测量的准确度。实验表明,该算法提高了三分量磁通门传感器非正交误差的校正效果。     

时分复用光纤光栅系统的边缘滤波解调与标定

为实现高空间分辨率和高测量精度的准分布式光纤光栅应变传感系统,研究了基于时分复用光纤光栅传感系统的解调和标定方法。将波分复用和时分复用技术相结合,得到两个低反射率光纤光栅的应变灵敏度分别为33.40με/mV和38.47με/mV,标定的非线性误差为2.8%。基于光纤光栅光谱边缘滤波技术,构建时分复用光纤光栅应变传感系统,提出复用光纤光栅应变的交叉传感解调算法,实验测试并解调两个光纤光栅的交叉传感数据。实验分析表明,单次测量传感系统的最大误差为18με,应变量大于100με时的传感相对误差小于5%,满量程600με的引用误差小于2%。     

磁流体型光纤磁场传感研究进展:从标量到矢量

磁流体具有优异的磁光特性,为光纤磁场传感器的实现提供了一种新途径,经过十多年发展,已经成为光纤磁传感领域的一个重要研究方向。目前,已有大量的基于不同结构和原理的磁流体型光纤磁场传感器被相继提出,且总体上经历了从标量到矢量磁场传感的发展,文章以该发展脉络为主线,对磁流体的磁光特性、传感器的实现方法进行梳理和总结,最后指出当前仍存在的一些问题并进行展望。     

基于超磁致伸缩材料的光纤光栅磁场传感器

在分析光纤光栅传感原理的基础上,设计了一种基于超磁致伸缩材料的光纤光栅磁场传感器.先将一根光纤光栅粘贴在超磁致伸缩材料上;为补偿温度对磁场测量光纤光栅传感器的影响,再将另一根光纤光栅的一端固定在有机玻璃上并保持自由状态.对设计的传感器进行温度和磁场强度响应特性实验,在0~40℃的范围内,磁场测量和温度补偿光纤光栅的温度灵敏度分别为22和9.9pm/℃.在0-1200×10^-4 T范围内,传感器的磁场强度检测灵敏度约为1pm/1×10^-4 T,分辨率为1×10^-4 T,线性度为0.9963,稳定性约为±3×10^-4 T,为弱磁场的测量提供了一种新方法.     

法拉第磁光波导的耦合模分析

利用法拉第磁光效应可以设计光纤磁场传感器。在磁场传感过程中，磁光晶体薄膜波导的TE模和TM模式之间将发生转换，：其转换效率与磁光晶体的法拉第旋转角度和双折射有关。本文建立了磁光波导的耦合模方程，分析了磁光波导中的TE—TM模转换，提出了通过减小线性双折射和增大法拉第旋转角来提高TE—TM模耦合效率的措施，这些措施有利于增大光束TM模的输出功率并提高光纤磁场传感器的灵敏度。     

光纤弱磁场测量传感器

本文分析了用磁致伸缩材料组成干涉仪式的光纤弱磁场测量传感器的原理、特点、灵敏度和稳定度。从理论和实践上提出提高灵敏度和稳定度的方法。 光纤弱磁场测量传感器系统,是测量直流及低频弱磁场的光纤传感系统。     

基于光纤光栅的软体机器人末端力测量方法研究

手术机器人的末端操作力测量是实现机器人精准控制的关键,对保证手术操作的安全性至关重要。文中针对微创手术软体机器人末端三维力测量的实际需求,提出一种基于光纤光栅的微创软体机器人末端三维力的测量方法。基于光纤光栅传感原理,分析光纤传感器植入在软体机器人中的传感特性,建立基于最小二乘法线性标定和基于伯恩斯坦多项式非线性补偿的软体机器人末端力解耦模型,研究光纤光栅中心波长漂移量和软体机器人末端三维力之间的关系。并通过实验测试和对比分析验证了基于线性标定和非线性解耦算法的光纤传感软体机器人末端力测量性能研究结果表明:光纤光栅传感的可重复性平均为1.5 pm,末端力在XYZ三个方向上的测量精度误差均低于满量程的5%,且残差分布大部分集中在可靠区间,具有良好的重复性。所提出的基于光纤光栅的软体机器人末端力解耦算法为微创手术软体机器人的末端力精确测量提供了有效的方法,在生物医学等软体机器人的末端力测量中具有应用前景。     

三轴磁传感器的校正方法

为了消除三轴磁传感器自身的误差,针对其存在的偏移误差、灵敏度误差和非正交误差的特点,建立三轴磁传感器的误差校正模型,利用批量最小二乘拟合方法提出相应的磁传感器校正方法,不需要额外的加速计辅助即可对三轴磁传感器进行校正,并通过磁传感器的误差校正实验进行验证。校正实验结果表明,该三轴磁传感器校正后的均方根误差减小到103 n T,磁传感器的校正方法可以有效消除自身的误差,并且不需要其他辅助手段。     

基于光纤光栅级联调谐技术的波长检测系统

报道了一种检测光纤光栅传感器波长的新方案。实验系统采用新型的级联结构对电热调谐的光纤光栅滤波器进行复用,扫描分析传感信号光的峰值波长,同时用参考波长校准方法消除了电热调谐中的蠕动误差。结果表明,系统的检测范围可达23nm,波长分辨率为3.1pm,应变测量分辨率为2.56με。     

基于长周期光纤光栅和ZigBee组网技术的无线溶液折射率传感网络

阐述了一种基于长周期光纤光栅和Zig Bee组网技术的无线溶液折射率传感网络。整个系统包括了传感节点、路由节点、协调器和中心计算机几个部分。传感节点部分,设计了一种基于强度调制型的低成本的长周期光纤光栅溶液折射率传感器,其中包括了长周期光纤光栅和一种特殊结构的封装。同时,设计了传感器的驱动板,包括激光二极管及其驱动电路、光电探测电路。利用损耗峰两侧近似线性的特性,通过测量单侧损耗峰半峰处固定波长光功率的变化实现了折射率传感。系统搭建了基于Zig Bee的自组网系统,并且实现了实时的多点的溶液折射率监测。测量了折射率为1.3347~1.3418的氯化钠溶液,分辨率为0.0001,最大误差为0.0004,平均误差为0.00015。所述系统提供了一种将光纤传感器应用于无线传感网络的方案,其优势在于可以大面积铺设大量低成本传感器并组网,方便地增减传感节点,实现了大范围、多点、高分辨率的环境监测。     

基于偏硼酸钡晶体的电光补偿型光学磁场传感器

提出并实验验证了基于偏硼酸钡(β -BaB₂O₄,B BO)晶体的电光补偿型磁场传感器。磁场传感单元主要由单块BBO晶体和两个偏振器组成。 采用光强度调制的传感方式,被测磁 场和法拉第磁光效应引起的BBO晶体输出光强度变化可以由外加电压产生的电光强度调制 来补偿。在电光补偿后的输出光传感信号不变的条件下,可以通过测量外加补偿电压间接实 现磁场的测量。利用一块尺寸为4mm×4mm×20 mm的BBO晶体实验测 量了167 Gs范围内的 工频磁场,通过设置晶体主光轴与光传播方向的夹角为0.76°,可以 有效降低电光补偿电压,约为0.018 V·Gs －1,比以往的实验结果降低了约30倍。     

光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的标定与不确定度分析

研制了一种等强度悬臂梁结构的光纤Bragg光栅称重传感器.为了确定其称量结果的可靠性,通过分析载荷信息传递过程与光栅敏感元件的感知原理,推演传感器设计的理论依据,设计了采用标准质量块进行标定的静态载荷实验装置,通过MATLAB实现静态传感数据分析,并分析标定过程中存在的不确定因素进而确定了传感器的不确定度指标.实验表明:所研制的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的灵敏度为0.0069 nm/N,非线性误差为4.93％,重复性误差为2.59％,迟滞误差为3.21％FS,称重传感器的测量不确定度为0.409 N.设计的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器静态特性良好,在它量程范围内测量不确定度对结果的影响较小,满足性能要求,标定方法有效提高了标定效率和精度,为其他类型传感器综合性能定量分析提供了思路与工程实践.     

光纤法珀压力传感系统设计与风洞初步实验

针对航空领域对大气压力的测量需求,基于光纤法珀传感和低相干干涉技术,搭建了光纤法珀多通道压力传感系统。介绍了系统解调算法及工作原理,对光纤法珀压力传感器的标定和温度补偿方法进行理论分析,将非恒温条件下的传感器拟合误差降低至0.134% F.S.。在风洞环境中,在侧滑角-4~4变化范围内,对飞机实体模型的三个监测点进行压力测量实验,并将压力测量结果与Ansys-Fluent软件模拟仿真结果做对比。结果显示,光纤法珀压力传感系统与模拟仿真数据变化趋势相同,全量程误差为0.38% F.S.,证明此系统能够提供可靠的压力数据,真实反映飞机模型被监测位置在风洞中的受力情况。