柔性曲面形状检测传感网络设计

针对太阳能帆板等柔性曲面检测,其动态变形检测难度大。用光纤光栅（Fiber bragg grating,FBG）设计曲面传感阵列,利用空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器网络的数目根据波动理论和检测仪器的最大解调范围确定;传感网络在曲面的分布根据曲面应力状况和变形特点进行植入式分布,在振幅最大的位置布置传感器,在曲面应变大的位置布置稠密,反之稀疏,根据曲面变形的有限元模型,实现模拟太阳能帆板柔性曲面传感网络设计。并对传感网络的检测精度进行试验,试验表明此传感网络中传感器检测具有良好的线性关系,传感网络中传感器布置位置合理,传感网络能够检测帆板的多种变形。传感器封装在保持40 mm的长度中,传感器测试误差仅有0.4％,柔性曲面测试误差小于4%。     

光纤多气体检测系统的研究

采用光纤光栅波分复用技术,通过光纤光栅和压电陶瓷对LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现多气体浓度检测.建立了谐波检测的数学模型,进行了C2H2和CO测量系统的研究.     

应用CWDM实现FBG传感解调的研究

本文利用粗波分复用器（CWDM）的传输特性与波长的关系，提出了一种FBG传感解调方法并建立了实验系统。通过理论分析计算，得出系统的输入／输出之间的关系，并进行了实验验证。系统的波长解调范围为4nm左右，在没有进行光功率补偿的情况下，根据实验数据的分析计算，方差最差的情况下σmax=4pm。本系统在对分辨率要求不高的工程实际中的动态解调有着广泛的应用前景。     

基于FBG的齿根弯曲应力在线检测方法

根据国际标准化组织(international organization for standardization,简称ISO)和美国齿轮制造者协会(American gear manufacturers association,简称AGMA)关于渐开线圆柱齿轮强度的计算方法,在计算单个齿轮齿根弯曲应力时,可将轮齿简化为一悬臂梁。基于此,提出了一种齿根弯曲应力在线检测的新方法,利用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)的应变特性和齿轮传递扭矩时轮齿产生的挠度,将齿根弯曲应力的测量转化为光栅反射波长的测量,通过对反射波长的实时解调,能够实现对运行中齿轮的齿根弯曲应力进行实时在线检测。通过对一对渐开线圆柱尼龙斜齿轮进行分析,并在1~18N·m扭矩范围进行实验,结果表明该方法能够准确测量齿根的弯曲应力,灵敏度高达70pm/MPa,线性拟合度达0.99以上,且响应速度快。利用光纤光栅准确检测齿轮运行时的齿根弯曲应力,不但能够代入实际工况实现在线检测,同时对齿轮的设计和故障诊断具有指导意义。     

基于FBG传感网络的新型内窥镜形状实时检测系统

通过基于光纤光栅(FBG)传感网络的内窥镜空间形状实时检测系统的搭建,提供了一种新型的内窥镜形状的感知手段。针对内窥镜形状感知的具体要求,进行了光纤光栅大曲率传感器原理研究以及微小尺寸光纤光栅传感网络设计。在不改变内窥镜的结构的前提下,将光纤光栅传感网络介入其固有手术钳道,通过传感网络感知内窥镜上多个离散点空间曲率变化,利用离散曲率形状重建算法重构出内窥镜形状。在此基础上搭建了智能内窥镜实时形状感知系统,给出了数据处理方法和动物试验结果。     

基于FBG的机床龙门结构变形检测及重构研究

机床龙门结构在工作时的力变形会严重影响到工件的加工精度,能够实时检测龙门结构在加工过程中的变形具有重要意义。首先,将定梁式机床龙门结构简化为三次超静定连续梁受载物理模型,并计算得到该结构的理论变形量。然后,根据定梁式龙门结构理论受力特点及有限元仿真分析结果,提出一种分布式光纤光栅传感器的应变实时测量方法,并建立了通过变形重构算法构建分布式应变到变形的数学模型。最后,搭建了基于FBG的机床龙门结构变形测量实验台,进行了不同载荷及不同加载位置下的实验,并通过变形重构算法计算得到相应工况下的实验变形量,实验结果与理论计算结果相吻合,说明了该测量方法及变形重构算法的有效性。     

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。     

FBG细径形状传感器的应变传递和精度实验

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用,如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等,其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度,本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面,形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明,封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加,黏结层外径的增加对其影响不大,验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中,改进了FBG形状传感器的形状重建算法,末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。     

光谱吸收型光纤多气体传感系统

基于气体的近红外吸收机理，研究了一种可以检测多种气体的全光纤传感方法，采用光纤光栅波分复用技术．通过光纤光栅和压电陶瓷（PZT）对宽带光源LED进行波长调制，获得与相应气体吸收峰相对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现对多种气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光路干扰。建立了谐波检测的数学模型，进行了光纤C2H2和CO气体测量系统的实验研究。     

大型柔性曲面振动智能检测

以太空太阳能帆板的振动为对象建立大型柔性曲面振动检测样机,提供一种基于非视觉传感方法的大型柔性曲面振动智能检测方法和系统。系统将光纤光栅(Fiber bragg grating,FBG)分布式地封装于形状记忆合金基材中构成传感阵列,采用预应力封装提高FBG传感器的测量范围。根据波分复用和空分复用技术将传感阵列设计为传感网络,植入于曲面中,当被测曲面发生振动时, FBG解调仪检测到分布传感器的波长变化,转化为相应曲面上特征曲线的曲率信息。由曲率信息和弧长信息重建曲面形状,并在屏幕上显示出来,实现柔性曲面智能形状检测。试验结果表明,检测系统的FBG传感网络检测灵敏度高,重建算法速度快,重建曲面精度高,能够应用于大型柔性曲面的安全检测和监控。     

光纤Bragg光栅测力环在系杆拱桥中的应用

针对系杆拱桥索力长期监测的特点，研制了光纤Bragg光栅锚索测力环。光纤光栅测力环具有测试精度高、测试简单方便、长期可靠性好和抗干扰能力强等突出优点。介绍了光纤光栅测力传感器的结构特点和研究过程，及其在系杆拱桥换索施工中的成功应用。应用结果表明，光纤光栅测力传感器可有效监测钢管混凝土系杆的受力状况。     

光纤机敏结构振动形态感知及其SMA致动控制

以模拟太空帆板结构为试验模型,针对振动状态监测与主动控制技术需求,着重进行柔性光纤机敏结构振动形态感知及其形状记忆合金(SMA)致动控制研究。技术方法上基于分布植入式FBG传感网络的信息感知特性与结构形态曲面拟合算法,实现结构分布多点曲率检测与形态重构,并为基于SMA致动的结构振动主动控制提供判决依据;基于结构表面分布配置的SMA驱动网络,采用分组交替驱动方式实现结构低阶模态大幅振动主动控制;设计试验模型结构与构建完整试验测控平台,并综合阐述了试验方案与试验过程。试验结果验证了结构振动形态感知的有效性,以及结构振动SMA致动控制的可行性和高效性,为航天柔性结构低阶模态振动主动监控提供了较好的技术探索思路。     

形状记忆合金在六足步行机器人中的应用

论文利用形状记忆合金（Shape Memory Alloys,简称SMA）作为驱动元件,并且通过单片机控制电流的通、断来控制其动作,设计制作出六足步行机器人,给出了这种机器人的具体设计、制作方案,包括该机器人的运动原理、设计要点、结构组成和控制方式.     

压电智能结构的柔性梁振动主动控制系统仿真

针对材料的共振会对系统的稳定性和精度产生不良影响的问题,采用压电智能结构,使用两路独立电源驱动两组压电陶瓷片,电路的工作频率调整为光纤智能梁的共振频率,并以光栅光纤为传感器,应用Matlab的仿真工具箱研究了环氧树脂柔性梁振动的主动控制技术,建立了振动主动控制系统实验平台并进行了仿真。研究结果表明,本实验系统能够抑制柔性梁在共振频率附近的共振峰幅值,达到主动控制效果。     

A new flexible FBG sensing beam for measuring dynamic lateral displacements of soil in a shaking table test

In this paper, the design, validation, and application of a new flexible fiber Bragg grating (FBG) sensing beam are presented for effectively measuring dynamic lateral displacements inside soil mass in a shaking table test. The special flexible FBG sensing beam has been fabricated by employing a series of FBG sensors along with design of temperature compensation. Based on this design, equations of converting strains to lateral displacements are derived by using both differential and integral methods. Subsequently, the effectiveness of the FBG sensing beam has been verified in a shaking table test with non-contact laser displacement sensors (LDSs). The dynamic lateral displacements at different depths of the soil mass in the shaking table box throughout time history are calculated by differential and integral methods and compared with the results of LDSs. The comparison validates the measurement accuracy of the FBG sensing beam. Additionally, the Fast Fourier Transform (FFT) analysis result demonstrates that frequency measured by the sensing beam fits well with the results of traditional accelerometers and LDSs. Therefore, it can be concluded that the flexible FBG sensing beam is compatible with the stiffness of the soil and is capable of measuring dynamic lateral displacements with good accuracy in a shaking table test.     

基于光纤光栅的小量程称重传感器设计

设计了一种小量程光纤布拉格光栅称重传感器,采用双孔单槽式悬臂梁型弹性体结构,并利用有限元软件ANSYS对弹性体结构进行优化设计,以满足小量程设计要求。采用四片光纤光栅布片方式,提高了传感器的灵敏度,并利用正应变和负应变的光纤光栅信号进行叠加,以补偿温度的影响。对传感器进行加载卸载实验,并对所设计的传感器进行了整体性能分析,实验结果表明,传感器的称重范围为0-4kg,线性度误差小于0.9%,温度补偿达到了一定效果,性能稳定,证明了设计方法的可行性。     

基于形状记忆合金的旋转式驱动器研究

对于以形状记忆合金元件为核心的驱动器的研究,主要集中在直线式和摆动式驱动器方面,涉及旋转式驱动器的较少。文章基于形状记忆合金的基本效应,建立了旋转式驱动器的功能结构模型,并分析了各功能环节的实现方式。在此基础上进行功能组合,提出了相应的实例模型。     

基于DSP的光纤测头信号采集与处理系统设计

为实现光纤布拉格光栅(FBG)三维测头三路光纤信号的同步采集与快速处理,设计了一种基于数字信号处理器(DSP)的嵌入式信号采集与处理系统.系统采用的TMS320F2812处理器,其主频为150 MHz,结合AD7656模数转换器,可6通道同步采样,转换精度为16位,实现了三路光纤信号的同步采样和实时对三路信号做求和运算...     

一种差动式光纤Bragg光栅渗压、温度双参量传感器

设计了一种差动式双光纤Bragg光栅渗压、温度双参量传感器.在渗压作用下,波纹管产生一个轴向位移,并传递给等强度悬臂梁的自由端,使等强度悬臂梁产生一个挠度变化,带动粘贴在悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅的中心波长发生移位.通过检测两只光纤Bragg光栅中心波长的差值来获得渗压;通过检测两只光纤Bragg光栅中心波长的平均值来获得环境温度.传感器测试表明,传感器对渗压的灵敏度为1.982 nm/MPa,线性度约为0.97％,重复性为1.5％;传感器对温度的灵敏度为0.009 5 nm/℃,线性度约为3.4％.该传感器利用差动结构并结合适当的数据处理实现了对渗压与温度的双参量检测.     

温控形状记忆合金的驱动响应模型

基于传热学理论和驱动几何关系建立了温控形状记忆合金(SMA)驱动器的驱动响应模型,动态修正了模型中受温度影响的参数值,提高了驱动模型的响应精度,分析并得到了SMA丝正多边形截面边数小于8时提高响应速度的规律。基于理论分析结果,测试了直径1.2 mm、长度10πmm、初始圆心角30°的SMA丝在电流6A下的驱动响应,响应模型的计算结果同实验结果的对比表明,驱动全过程的最大误差(驱动终点)降至1.8 s,模型能较精确地描述驱动过程。