基于中值滤波的OFDR二维形状感知精度提升研究

基于光频域反射(OFDR)的二维形状传感技术存在相干噪声和光谱匹配错位,导致瑞利散射波长偏移曲线出现乱峰、杂峰,严重影响形状重构精度。为此,提出一种使用中值滤波的二维形状传感精度提升方法,分析了Frenet-Serret标架下的OFDR二维形状重构原理和利用中值滤波提升传感精度的基本原理,搭建了OFDR二维形状传感系统,通过多组静态应变实验标定了应变-波长偏移系数,利用中值滤波方法对3种预设二维形状的瑞利散射波长偏移曲线进行降噪处理。实验结果表明,应变-波长偏移系数标定为1.20με/pm;在0.5 m形状传感长度上,3种形状传感末端误差分别从3.08%、0.94%、0.82%降低至0.80%、0.66%、0.48%。研究表明,利用中值滤波降噪可以实现OFDR二维形状传感系统的感知精度提升。

基于角度偏差自校正的光纤形状传感结构设计

光纤形状传感中FBG的放置角度误差会影响曲率的计算精度,从而增大形状反演的误差。为了实现传感胶棒的角度自校正,设计了一种自校正形状传感结构,在传感胶棒的感知截面上布设9个FBG,以120°等角度间隔作为基准位置,分别提取±10°位置上的应变,从而实现FBG响应与角度偏差的函数映射。提出了一种基于角度偏差自校正算法,通过适应度函数完成对传感参量α与k的阈值优化,实现任意角度偏差的自校正。仿真分析不同α与k条件下的响应关系,发现α具有很好的线性变化特性,k仅随主敏感FBG波动的特性。在单截面实验中,加载0~100 N应力变化后,9个FBG的平均响应度介于[-1.012με/N,0.987με/N]之间。响应度的正负可以表征弯曲方向,相邻FBG的响应也具有很好的线性度。在组合截面实验中,根据反演结果重建传感胶棒三维结构,输出各点位坐标和应力值信息。

基于布里渊散射光时域分析的形状传感研究

搭建了基于布里渊散射光时域分析技术的应变测量系统,采用七芯光纤作为分布式形状传感器,通过测量七个纤芯在弯曲时的布里渊散射谱,验证了七芯光纤偏芯之间每两个对称芯所受应变值相等且互为相反数的特点。对比七芯光纤中间芯与偏芯的布里渊增益谱,测得偏芯在不同弯曲半径下的布里渊频移变化,得到偏芯在每个位置受到的应变值。利用并行传输标架形状重构算法对七芯光纤在曲率直径为0.112 m和0.052 m时的形状进行了重构,当曲率直径为0.112 m时,曲率重构误差为0.375%。

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。

基于分布式应变测量的光纤形状还原算法研究

为了验证并行传输标架还原光纤传感器形状的可行性和准确性,设计了基于单模光纤的形状传感器,提出了利用有限元分析方法进行形状传感器建模和分布式应变信息的提取,对比分析了并行传输标架和弗莱纳标架在形状传感器不同弯曲形状和不同应变采样点数下的还原精度。结果表明:并行传输标架进行传感器形状还原时,不仅很好地还原了传感器的形状,而且弥补了在奇点位置前后弗莱纳标架方向发生突变,造成还原结果出现较大误差的不足。并行传输标架的远端位置误差低于光纤总长度的0.003 42%,相较弗莱纳标架,降低了10倍。

软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。

变形机翼薄膜蒙皮形状监测光纤传感方法研究

为解决变体飞行器变形机翼薄膜蒙皮形状实时监测问题,研究光纤传感及重建方法。采用实验方法标定光纤光栅传感器,得到聚酰亚胺薄膜蒙皮变形光纤传感校正曲线,实现光纤光栅传感器中心波长漂移量与薄膜蒙皮变形曲率参数的准确转换;实验测得不同翼型下光纤传感器反射谱特征及其随翼型变化规律,利用光纤光栅中心波长漂移量和线性插值算法计算得出不同翼型下聚酰亚胺薄膜蒙皮型面曲率数据,结合插值曲线拟合算法,重建出薄膜蒙皮三维形状;采用数字摄影测量系统进行对比实验,验证了光纤传感重建蒙皮形状参数的正确性。研究结果表明,聚酰亚胺薄膜蒙皮型面曲率的光纤传感与摄影测量误差小于5%,光纤传感方法可以实现变形机翼薄膜蒙皮三维形状传感与重建,在变体飞行器柔性蒙皮实时传感监测方面具有应用前景。

螺旋布设光纤光栅的软体操作器形状传感方法

为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量,提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法,螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时,光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法;制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样;搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统;实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下,螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律,并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明:螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°),软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。

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。

二维分布式光纤形状传感应变传递研究

为分析光纤分布式形状传感器结构中基底与光纤在应变时的传递率,研究层合式结构模型各层之间耦合影响,建立了涂布层—胶结层—传感层三层应变传递模型。通过分析结构微元段,构建应变传递变化函数,推导出光纤应变传递关系。结合有限元仿真结果,验证了模型的有效性。结果表明:结构中间区域应变传递率为1,两端逐渐减小。在实验与应用中,选用弹性模量为4 GPa,泊松比为0.38的胶粘剂粘接半径为1 mm;涂布层选用弹性模量为2 GPa,泊松比为0.3,厚度半径为10 mm的材料,可有效提高应变传递率,减小检测误差。为提高形状检测技术精度提供理论依据。

双层正交的光纤布拉格光栅柔性形状传感技术

软体机器人运行中的形状信息反馈对机器人精准操控非常重要,由于其柔性的躯体特性,对搭载的形状测量传感器的柔顺性同样要求很高,为此面向软件机器人的光纤光栅柔性传感,提出了一种基于双层正交光纤布拉格光栅的可实现三维形状测量的柔性传感器,阐述了传感器的结构组成和测量原理,制备了由两层4×4光纤布拉格光栅阵列组成的传感器原型。对该传感器进行横向和纵向的曲率标定,得到了波长漂移量与曲率之间的线性递增关系;随后开展了三维形状测量研究,通过测量空间传感点的曲率建立三维坐标系,将曲率信息转化为空间坐标信息,再通过对空间离散坐标点的插值拟合来重建被测物体表面的三维形状。该柔性形状传感器可实现对复杂曲面的三维形状感知,曲率测量误差为2.8%~4.5%。本文提供的光纤光栅柔性传感器可为软体机器人的形状测量提供技术支持。

基于逆有限元法的形状还原传感阵列及桥梁挠度监测试验

桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标,对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列,该传感阵列基于逆有限元方法,仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。详细阐述了逆有限元法基本原理与形状还原传感阵列装置,将该项技术应用于混凝土自锚式悬索桥梁模型进行挠度监测试验研究,分别对桥梁模型进行静态加载与动态加载,通过水准仪与激光位移计对还原得到的挠曲线形状与精度进行验证。结果表明:形状还原传感阵列对于桥梁挠度的监测具有易于安装、数据准确、实时性好的优点,不仅可以准确还原出桥梁挠度,而且可以实时反演出桥梁挠曲线形状,能够有效地评估桥梁工程性能质量。

基于逆有限元的蜂窝板结构形状传感研究

蜂窝铝芯夹层复合材料因其优异的力学性能以及良好的隔热、减震性能而广泛应用于航空航天领域。但是,复杂的结构形式给后续的结构健康监测以及剩余寿命评估带来了困难。大量文献证明逆有限元方法在形状传感以及应力应变场重构方面具有独特的优势。在实际应用中,应变传感器的布设数量受到成本等各种因素限制,因此传感器的数量和位置的合理选择是准确重构结构变形的关键因素。基于精细化的蜂窝板模型以及等效的夹层板模型,利用不同的应变传感器布设方案,研究了最佳的蜂窝板状态重构策略。通过算例分析可知,基于均质的夹层板模型,利用少量的应变数据(方案C)也可以准确地重构出蜂窝板的变形,而精细化的蜂窝板模型则需要大量的应变输入。

基于Frenet-Serret框架的OFDR三维形状重构算法研究

为了更深入地研究光频域反射法(optical frequency domain reflectometry, OFDR)在形状检测,有效计算变形监测等应用场景下光纤的形状和位置,设计了一种利用分布式光频域反射技术测得的光纤应变数据来重构三维形状的算法。与已有算法相比,在数据处理环节加入了样条插值,从而使得形状还原精度提高,并利用仿真实验对算法进行了验证。首先设计了通过应变数据得到三芯光纤曲率和弯曲方向采样值的计算方法,结合Frenet-Serret公式构造了曲线方程;然后利用有限元分析软件对空间S形应变数据进行建模并提取,带入已设计的算法求解,在三维空间中重建S形光纤;最后得出位置误差随着光纤长度的增加逐渐增加,均方根误差计算结果为0.996 mm,单位长度误差最大值为0.082 4%。结果表明,该算法能较好地恢复原始曲线,具有一定的工程价值。

声乐演唱中的感知觉调控

演唱者对歌唱发声的深入认知和高级认识所产生的一系列调控

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。

用于变形机翼监测的光纤光栅传感及重构方法

为实现变体飞行器翼面形状的监测,提出用于变形机翼监测的光纤光栅传感及重构方法。理论推导得出光纤光栅中心波长漂移与曲面变形角度的关系。构建变形机翼翼面监测实验系统,研究基于被测点曲率的曲面重建算法,对不同变形角度的翼面进行形状重构,得到不同角度的机翼面型。试验结果表明:光纤光栅传感器中心波长漂移量与机翼变形角度线性度在0.999以上,因此基于光纤光栅传感的曲面重构方法适用于变形机翼的翼面形状监测,且此方法在变体飞行器的监测中具有应用前景。

基于分布式光纤形状传感的沥青混合料车辙变形监测研究

车辙是沥青路面典型的病害形式,其现有的检测及评估方法大多存在表观性。因此,对沥青路面结构内部车辙的演变过程、横断面形状进行监测和评估具有重要意义。引入分布光纤形状传感技术,研发了可用于沥青路面的柔性分布式光纤形状传感器,通过理论分析和标定试验明确了其形状测试原理。将分布式光纤形状传感器植入车辙试件,采用光频域反射设备(OFDR)对室内车辙试验进行了加载全过程的实时监测,获取了沿车辙横断面上各测点的时程应变数据。进而,采用空间曲线理论中的Frenet-serret方程,提出基于分布式光纤传感技术的车辙横断面二维形状重构算法,得到发生累积变形时分布式光纤形状传感器的形态演变曲线。提取重构曲线中荷载作用位置处的位移与车辙仪位移传感器数据进行对比,平均相对误差仅为0.981%,证实上述方法可以实现车辙变形的准确监测。最后基于重构得到的车辙横断面形状,分析车辙变形的演变规律,结果表明其与沥青路面永久变形发展阶段中的压密、流动过程具有较好的对应关系。创新性地提出了基于分布式光纤形状传感技术的沥青混合料车辙变形监测方法,有助于明晰沥青路面结构内部车辙类病害的发展规律和横断面形态,为道路基础设施全寿命周期内服役性能的评估和管养提供了新思路。