引入曲率与角度校正的柔性机构三维形状多芯光纤重构方法

为提高柔性机构三维位形参数光纤测量精度,提出了基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法。通过引入方向角和曲率校正系数,改进了柔性三维形变多芯光纤重构算法;利用准分子激光器和相位掩膜法制备了多芯光纤光栅传感阵列,建立了多芯光纤三维形状重构实验系统;实验测量了不同曲率比例因子下的形状重构误差,分析了曲率与角度校正前后形状重构误差;通过对应变进行了三次样条插值,并对方向角和曲率进行了校正,得到了形状重构误差平均值为0.74 mm、最大值为1.64 mm;利用校正后的多芯光纤传感系统进行三维螺旋形变重构实验,得出重构精度提高了10.2%。研究结果表明,基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法具有更高精度,在柔性机构三维位形实时监测中具有应用前景。     

多参量和多功能型光纤光栅传感技术

介绍了多参量和多功能型光纤光栅传感技术的原理、发展历史和现状,重点介绍了利用基于光纤光栅的一个传感头同时测量多个参量的技术.详细分析了利用一个光纤光栅传感头同时测量温度和应变的原理和技术,对多参量传感中的传感头结构进行了总结和分类,提出并分析了新的多功能型光纤光栅多参量传感系统.     

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。     

基于光纤传感的形状传感发展研究

光纤传感技术是近年来新兴的一种传感技术, 在众多领域中得到了广泛的关注和研究。归纳总结了光纤形状传感技术研究的主要进展, 讨论了基于光纤光栅传感和分布式传感的光纤形状传感技术的基本原理, 介绍了形状重构的理论框架——Frenet-Serret公式, 分析了分布式光纤形状传感技术研究中的关键问题, 并在此基础上对分布式光纤形状传感技术的研究前景进行了展望。     

光纤光栅在液氮温区温度传感性能的研究

文章从光纤光栅的温度传感模型出发,理论分析了光纤光栅的温度传感特性,完成了在液氮温区(-196 ℃)的温度测量.将理论与实验结果进行对比分析后得知,在液氮温区或者大范围测温中,反射波长相对漂移量ΔλB/λB与温度改变量ΔT的关系是非线性的,呈二次关系式.     

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...     

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。     

光纤光栅温度传感增敏方法研究

针对裸光栅温度灵敏度较低的问题,设计了一种封装方式并进行结构制作。所设计的封装方式是将光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)置入毛细玻璃管中,并填充353ND环氧树脂胶,最后固定在铜片基底上。首先对FBG温度传感及增敏机理进行了理论分析,然后进行结构的设计及制作,最后进行温度传感测试。聚合物353ND和铜片的热膨胀系数显著高于裸光栅,在外界温度发生变化时会对光纤光栅施加附加应力,从而提高其温度灵敏度,并保护FBG传感器的结构。实验结果表明：在40℃至140℃的温度传感测试中,FBG的反射波长保持着不错的线性;温度灵敏度由增敏前的10 pm/℃提升到了21 pm/℃左右,且温度传感特性拟合曲线线性度达到0.996以上。     

光纤光栅在传感应用中波长漂移的检测方案

波长漂移量的检测是实现光纤光栅传感网络的关键技术．分类阐述了近几年来光纤光栅传感应用中主要的波长检测方案,分析了它们的工作机理和特性,并展望了其可观的应用前景．     

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。     

光纤光栅的传感特性研究

光纤光栅传感技术较其它光纤传感技术有其独特的优点,使其更具有实用性。本文介绍了光纤光栅用于温度、应力传感的机理,并对传感系统中很重要的交叉敏感现象的解决进行了讨论。     

Spatial shape reconstruction using orthogonal fiber Bragg grating sensor array

With distributed orthogonal fiber Bragg grating (FBG) sensor arrays used as modular detection units, an implementation method for deformation detection and spatial shape reconstruction of a frame model structure was proposed in this paper. After brief introduction of curvature detection principle of FBG sensor, the design, fabrication and encapsulation of the FBG modular detection unit were illustrated detailedly. Every unit was composed of four optical fibers, each containing an array of FBG strain sensors. In addition, the method and procedure of the reconstruction algorithm of three dimensional spatial curve based on orthogonal curvature were also described in detail, as well as discrete curvature continuity method. The constructed algorithm was applied to reconstruction the vibration deformation of the experimental frame model, in which four FBG modular detection units were embedded. Afterward, experimental test and verification were performed for static bending and dynamic excitation of the frame model structure, using the developed experiment system. And experimental results verified the feasibility and effectiveness of deformation detection and spatial shape reconstruction based on orthogonal FBG sensor array. Moreover, the results indicated that the proposed method can provide useful research thinking for the further study of active monitoring of flexible space structures.     

长周期光纤光栅液体温度传感特性研究

从长周期光纤光栅温度传感特性的基本原理入手,分析了长周期光纤光栅在液体环境中的温度传感特性,并对其在液体溶液中和空气中的温度特性进行了对比实验研究。实验结果表明,长周期光纤光栅在液体中的温度特性与在空气中的一致,均随着温度的升高,谐振波长向长波长方向漂移,温度降低时,谐振波长向短波长方向漂移,且基本成线性关系。在30℃到90℃范围内,液体环境温度灵敏度约为0.079nm/℃,损耗峰幅值波动不超过2.3dB。     

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。     

基于正交光纤光栅阵列的负载感知系统研究

为了避免在装配中夹持力过大损坏产品或太小产生滑落的问题,采用了光纤传感智能感知的方法,设计了一种基于正交光纤光栅阵列的负载感知系统.感知模块采用光纤光栅两两相互垂直的方式排布,获取夹持平面两个正交方向的横向剪切力,从而分析夹持状态.实验中采用两个5.0cm×5.0cm的橡胶块制成负载感知模块,通过仿真定量分析了不同参量...     

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。     

光纤Bragg光栅应变传感研究

基于光纤Bragg光栅应变传感模型 ,利用泰勒级数展开法 ,将光纤Bragg光栅反射峰中心波长所满足的Bragg方程展开 ,得到了中心波长相对偏移量与应变增量之间的二次解析关系式 ,进而得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的解析表达式 ,计算了一阶、二阶应变灵敏度系数的理论值 ;并将光纤Bragg光栅粘贴在悬臂梁上进行拉伸和压缩 ,得到了与应变对应的光纤Bragg光栅中心波长偏移量 ,通过线性和二次多项式拟合 ,得到了光纤Bragg光栅一阶、二阶应变灵敏度系数的实验值 ;各阶应变灵敏度系数的理论值与实验值吻合得到很好