用于假手指尖的光纤光栅触觉力传感器研究

针对现有假手触觉测量常用的薄膜压力传感器精度不佳、线性度差、迟滞性高等问题,研究了一种可安装于假手指尖的光纤布拉格光栅触觉力传感器。首先,通过传感单元的微小化结构设计,可以将施加的外力转化为光纤承受的轴向力;进而,通过有限元对传感器结构参数进行优化,提高了光纤光栅对于压力的灵敏度;然后,围绕假手指尖应用的需求,制作了这种光纤布拉格光栅触觉力传感器;最后,对该传感器进行了性能标定、对比分析和应用抓取3个实验分析,实验结果表明:该传感器压力灵敏度为0.103 8 nm/N,线性度R~2为0.998,重复性误差为1.32%和迟滞性误差为2.19%;与现有的薄膜压力传感器对比,该传感器的线性度和重复度都更高,迟滞性更低。     

光纤光栅柔性触觉传感器的材质识别功能研究

针对目前应用于电子皮肤的触觉传感器不能兼具柔韧性和多模态信息感知等问题,对封装于同一柔性聚合物传感单元中的两根光纤光栅触觉传感器的材质识别功能进行了有限元仿真和实验研究。首先,推导了光纤光栅触觉传感原理和基于热传递的接触物体材质识别机理;然后,对封装材料和接触物体进行了热力学仿真分析;最后,搭建了实验系统平台,对光纤光栅柔性触觉传感器进行了材质识别实验研究。仿真和实验结果表明,当接触物体为70℃的铝、铁、塑料等材质时,由于热传递引起的光纤光栅温度传感器中心波长漂移最大值分别为：Δλ_B1=0.588 9 nm、Δλ_B2=0.277 3 nm和Δλ_B3=0.169 2 nm,且在接触的前10 s内中心波长漂移随时间变化率分别为k₁=31 pm/s、k₂=19 pm/s和k₃=6 pm/s。扩展光纤光栅触滑觉传感器的接触物体材质识别功能,可实现电子皮肤更多模态信息的感知,具有一定的应用价值。     

基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,提出使用光纤布拉格光栅测量结构应变场分布,通过神经网络判别结构损伤的方法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究了损伤对机翼盒段壁板结构应变场的影响,研究结果表明,光纤布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中,采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。     

光纤布拉格光栅压力传感器的高压实验研究

对光纤布拉格光栅的压力传感特性进行了理论分析,并在自行设计的膜片上在压力范围0～30MPa进行了加压和减压的高压实验。实验结果表明:光纤布拉格光栅的压力灵敏度较高,其值为5×10-11m/MPa,其中心波长与压力变化有着良好的线性关系和重复性,且没有迟滞现象,它们的相关系数都超过0 9999。因此,光纤布拉格光栅适合于高压情况下的压力测量。     

光纤布拉格光栅压力增敏机构

本文基于光纤布拉格光栅压力传感模型,系统地阐述继M.G.Xu等人的空心玻璃球FBG增敏机构之后的几种光纤布拉格光栅压力传感增敏装置的结构和原理,并对其优缺点、性能指标等加以比较。     

光纤布拉格光栅数据采集系统研究

为了能使光学传感器在部队得到广泛的应用,以提高武器系统的打击精准度,通过研究光纤光栅传感器,并且针对光纤布拉格光栅解调系统中数据采集速度高的问题,提出了一种利用高性能微控制器ARM（advanced RISC machine）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）来设计采集电路的方案,并给出了主要环节电路的软硬件设计。这一设计能很好满足解调系统要求。     

基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦

针对三维力传感器维间耦合干扰严重的问题,以双层十字梁结构光纤布拉格光栅三维力传感器为研究对象,提出了基于麻雀搜索算法优化极限学习机(Sparrow Search Algorithm–Extreme Learning Machine,SSA-ELM)的解耦算法.首先,研究了光纤布拉格光栅的传感及测力原理,揭示该三维力传感...     

基于光纤布拉格光栅的化学传感器

除掉光纤布拉格光栅的包层,可以使它的布拉格波长对外界环境的折射率变化敏感。采用氢氟酸腐蚀掉光纤布拉格光栅的包层,获得了直径约为6 μm的布拉格光栅。实验研究了布拉格波长对化学溶液的浓度敏感性特征,结果表明:采用10 pm分辨率的光谱仪,丙二醇溶液在低浓度时的浓度分辨率为0.7%,在高浓度时的分辨率为0.32%;糖溶液在低浓度时的分辨率为0.55%,高浓度时为0.1%。采用商用的分辨率为1 pm的高精度波长解调系统,它们的分辨率可以提高一个数量级。     

光纤布拉格光栅钢筋腐蚀传感器

基于钢筋混凝土中钢筋锈胀和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)应变、温度测量原理,设计了一种灵敏度较高的FBG钢筋腐蚀传感器。传感器主要由两个FBG(FBG-1,FBG-2)和带有轴向通孔、轴向通槽、环形槽及盲孔的钢筋件组成,FBG-1用于监测钢筋件的锈胀应变,FBG-2用作温度补偿器。为了提高传感器的成活率,在FBG-1外紧密包裹一层滤纸,并用水泥砂浆封装。此外,推导了钢筋件的腐蚀率计算公式,根据光纤解调仪采集的波长变化值可以计算得到钢筋件的腐蚀率。依据法拉第电解定律设计了电化学加速腐蚀实验,探究传感器的工作性能。实验结果表明,该传感器能够监测到0.7%以内的质量腐蚀率,灵敏度较高,且测量范围大于5%。该传感器能够有效监测混凝土中钢筋的早期腐蚀过程,准确估算保护层开裂时间,具有实际工程应用价值。     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

基于光纤光栅的机械手指触滑觉传感研究

针对机械手指柔性触滑觉传感问题,提出了一种基于光纤光栅的二维分布式传感阵列的触滑觉传感方法,该方法采用两根平行放置和一根倾斜放置的光纤光栅传感器组成传感单元,利用弹性材料封装增强光纤光栅对压力的灵敏度,并以单元阵列的方式实现对触觉三维力、滑动方向以及滑移位置的感知。仿真和实验结果表明,该方法可以很好地实现对触觉正向压力和剪切力的传感,其中正向压力在0~3.691 9×103Pa的范围内灵敏度为Kp=0.194 pm/Pa,x正向剪切力在0~1.115×103Pa的范围内灵敏度为Kpt=0.03 pm/Pa。通过对传感阵列中不同光栅中心波长漂移的上升沿和峰值时间差实现对物体x轴的滑移方向的判断。该方法可以很好地实现对机械手指触滑觉信息的测量,具有一定的应用价值。     

基于非对称全息干涉的倾斜光纤光栅研究

为了突破现存的倾斜布拉格光纤光栅制作方法的局限,提出了采用非对称光路制作倾斜条纹反射式光纤光栅的方法.该方法是通过在全息光路中加入柱面镜,将圆形光斑聚焦成线状激光,线状激光以平行于材料层的方式写入,从而获得不同倾斜角度,条纹间距任意的倾斜光纤光栅.通过写入条件的控制,达到精确控制光栅的反射率和带宽的目的.模拟仿真和分析...     

Bragg光纤传感技术应用研究

分析了光纤光栅传感器的工作原理,介绍了成栅技术及应用前景,提出了在应用光纤光栅传感技术时解决温度、应力交叉敏感等问题的新方法.研究结果对Bragg 光纤传感器在工程技术领域具有一定的应用价值.     

5MN光纤布拉格光栅力值传感器

针对山体滑坡中大力值监测的应用需求,提出了基于光纤Bragg光栅(FBG)的5 MN力值传感器。该传感器采用8根FBG构成4组光栅偶对圆柱弹性体的应变进行采集,光栅偶能有效地补偿温度对FBG尺寸的影响。通过ANSYS数值模拟计算并优化了圆柱弹性体的结构尺寸,并按照国家规程进行了传感器检定实验。实验结果表明,该传感器的直径为124mm,长度为302mm,应力测量范围为500~5 000kN,综合精度为1%,最大力值对应的波长变化为2 567pm,灵敏度为2kN/pm。该传感器除具有光栅传感的基本特点以外还具有结构简单、量程大、精度高等优点,不仅适用于滑坡力值监测,还适用于建筑、化工、煤矿、军事等领域的力值监测。     

基于平膜片和悬臂梁的光纤光栅压力响应特性研究

提出一种基于平膜片和等强度悬臂梁的组合式光纤光栅压力传感结构,应用材料力学和耦合模原理,分析得出了粘贴在悬臂梁上的双光纤光栅的中心波长偏移量与外界均匀压力成正比的结论,并应用软件仿真模拟了基模谐振波长的压力漂移特性。结果表明:布拉格谐振波长随压力线性增长,双光栅的组合使用,提高了测量灵敏度,解决了温度交叉敏感问题,这一结论对光纤光栅的生产和应用有一定的指导作用。     

强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器,导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系。传感器工作时,磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化;利用光谱分析仪,通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量,即可得到被测磁场磁感应强度的大小。当光谱分析仪的分辨率为0.001nm时,可测量磁感应强度为6~70mT。实验结果表明:该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感,当温度从0℃变化到45℃时,3dB带宽的变化小于8pm。实验结果和理论分析一致,表明该方案切实可行。     

基于光纤光栅的小热惯量温度场监测实验

为了研究温度传感器测量小热惯量温度场的准确性和即时性,对2ml沸水分别利用水银温度计、热电偶和金属管封装的光纤光栅温度传感器进行测温,所测温度的值分别为94.0℃、95.0℃和98.6℃,三者的响应时间分别为10.0s、8.5s、2.5s。可见,小体积金属管封装的光纤光栅温度传感器测量精度高,响应速度快。并对不同封装工艺的光纤光栅温度传感器的传感特性进行比较,结果表明,对于小热惯量温度场的监测,传感器的封装方式应采用小内径金属管封装方式。