基于光纤布拉格光栅多维力触觉传感器的研究

为了帮助机器人感知与外界环境和对象的相互作用情况并及时作出判断和反馈,研究并制作了一种基于光纤光栅测量三维力的触觉传感器,用于机器人外表面的受力检测。该传感器主要由一个十字型弹性体和一根串联了5段不同中心波长的光栅组成。首先利用SolidWorks软件进行有限元仿真分析,研究弹性体接受外部水平力和垂直力时各部分的应变特性,然后依据其应变特性,确定各个FBG在弹性体上的最佳粘接位置,以达到最高的灵敏度;其次,对弹性体的不同位置施加应力,确定最佳施加力的位置;最后通过处理五个FBG的波长变化,测量来自X、Y、Z方向的三维力灵敏度。通过实验测试分析,该传感器具有良好的应力传感灵敏度。

表面式光纤布拉格光栅传感器应变传递机理的研究

建立了组合梁与光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变传递的力学试验模型,得出组合梁结构实际应变与表面式光纤布拉格光栅传感器应变的关系。对影响表面式光纤布拉格光栅传感器平均应变传递率的影响因素进行了理论分析,得出胶接层弹性模量,胶接层的宽度以及光纤的粘贴长度对应变传递率影响较大,通过实验确定它们之间的最佳组合,为以后的实际工程应用提供了参考。

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100~250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器层状结构对测量应变的影响

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布,本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变,然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后,利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示:光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内,实验解与理论解的误差在8%以内,结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外,分析了黏结层和基体对应变传递的影响,结果显示:平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加,但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。

光纤布拉格光栅振动传感器的研究进展

随着光纤传感技术的不断发展,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)振动传感器在实际应用中的复杂振动测量性能愈发优良可靠。基于FBG振动传感器的优势,简略地阐述了FBG振动传感器的工作原理,并介绍了近5年国内研发的部分悬臂梁型、膜片型、铰链型三种结构的优缺点。最后针对FBG振动传感器提出了4个方面的建议,并展望了FBG振动传感器的发展方向。

具有温度自补偿的保偏光纤布拉格光栅多参量传感器的设计与制备

多参量的动态检测对于隧道、桥梁和管道等结构疲劳损伤的预测具有重要意义,开发一种高灵敏度、环境友好、低成本和易于操作的多参量动态检测技术一直是业界追求的目标.为了克服目前基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的多参量传感器结构和原理复杂、制作成本高等问题,本文基于保偏光纤布拉格光栅(PM-FBG)设计并制作了一种结构简单且高灵敏度,单点可同时测量多个参量的新型传感器.该传感器通过传感臂可以同时测量某一点在两个垂直方向上的位移和扭转变化,并具有温度自补偿功能.实验结果表明:该传感器的快轴和慢轴对于温度的响应不同,其线性灵敏度分别为11.4 pm/℃和10.6 pm/℃,温度补偿系数为0.8 pm/℃,平均扭转灵敏度为0.20 dB/(°);该传感器的快轴和慢轴对位移/弯曲的响应相同,线性灵敏度为31.5 pm/mm.当改变传感器周围的温度场,其位移和扭转传感性能不受影响,可实现3个参量的同时测量.本文研制的PM-FBG新型多参量传感器可以保证高精度的温度、位移和扭转测量,同时具有较低的制作成本,有望为多参量动态检测提供一种新的手段.

光纤布拉格光栅传感器网络映射算法研究

采用目前方法获取光纤布拉格光栅传感器网络映射结果时,存在映射效果较差的问题。为此,提出了光纤布拉格光栅传感器网络映射算法研究的方法。首先对光纤布拉格光栅传感器的传感原理进行分析,并以分析结果为基础,建立基于BP神经网络的网络映射问题模型。通过对该模型内的节点综合能力和影响因子进行分析,获取有利于光纤布拉格光栅传感器测量性能的优化结果。将两组传感器优化结果分别代入虚拟网络映射模型中,利用模型的节点可靠感知性原理,实现光纤布拉格光栅传感器网络映射。实验结果表明,所提方法在小规模场景下的通信请求率和平均计算请求率分别为87%和16%,在大规模条件下的平均通信请求率和平均计算请求率分别为91%和9%,表明所提方法的网络映射效果较好。

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。

具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

为了解决光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)位移传感器易受温度、振动等外界因素影响而导致测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,以光纤光栅为核心元件,工字型梁、永磁体等为辅助元件研究了一种无接触的FBG位移自校准装置。利用移动端磁铁与位置标定端磁铁位置重合时,工字型梁所受磁力最大,进行位置信息的自校准,进而提高FBG位移传感器的测量重复性和测量精度。通过将自校准装置安装在卷尺结构的位移传感器上,对其传感特性展开实验研究,结果表明:在0~360 mm的测量范围内,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文采用自校准装置在很大程度上提高了FBG位移传感器的测量重复性,为位移传感器的环境适应性优化提供了一种新方法。

可调量程拉绳式光纤布拉格光栅位移传感器

为了解决在复杂电磁环境下大位移量的监测问题,实现对大型机械和工程结构健康安全状况的实时监测,设计了一种基于悬臂梁结构的可调量程拉绳式光纤布拉格光栅位移传感器。悬臂梁两侧对称粘贴了两个不同中心波长的光纤光栅,当悬臂梁自由端的位置发生变化时,两个光纤光栅分别受到拉力和压力,因此光栅的中心波长向相反方向漂移。通过对两个中心波长差值与位移量关系的标定,可以排除温度的影响,实现对位移量的测量。传感器采用了拉绳式的位移传递方式,使得传感器的安装位置及测量方式更加灵活;便于拆装的位移转换装置,可以方便地调整传感器的量程,使其具有更广泛的适用性。位移传感实验结果表明,在传感器量程为60 mm时,位移传感器的平均灵敏度为47.7 pm/mm,相关系数达到0.998,重复性误差为2.83%FS,迟滞误差为1.02%FS。该位移传感器具有结构简单、量程可调的特点,可以满足不同环境下的位移测量需求。

铰链互补结构的宽频段高灵敏度光纤光栅振动传感器

针对振动传感器工作频段与灵敏度相互制约的问题,设计了一种基于铰链互补结构的宽频段高灵敏度光纤光栅振动传感器。将两个“工作区”与谐振峰互补的振动传感单元进行组合,在保证高灵敏度测量的同时,扩展了传感器的工作频率范围。首先建立了传感单元的结构模型,通过力矩平衡方程,得出了影响传感器灵敏度和固有频率的因素,然后使用Ansys与SolidWorks联合仿真,优化了传感器结构参数,最后制作了传感器实物,搭建封装和测试系统完成封装和特性测试。实验结果表明:两个传感单元的谐振峰位于650Hz和925Hz,分别与传感单元2和传感单元1的“工作区”互补,将工作频率范围扩展到0~1500Hz,灵敏度优于410.4pm/g,测量分辨率为0.16mg。文中所设计的传感器具有灵敏度高、工作频段宽等优点,为微振动监测提供新的技术手段。

波登管式光纤布拉格光栅压强传感器

基于光纤布拉格光栅传感模型，提出了一种悬臂梁与波登管相结合的光纤光栅压强传感器的组合设计，推导了光纤布拉格光栅中心波长偏移量与压强之间的解析关系式。理论和实验结果表明，压强调谐光纤布拉格波长的灵敏度系数的理论值与实验值分别为0．2246nm／MPa、0．2218nm／MPa，在0～6MPa测压范围内，调谐范围为1．35n／n．

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。

毛细铜管封装的内嵌式镀金光纤布拉格光栅温度和应力传感器

为了实现复杂、恶劣环境下工程机械表面无损的应力监测方式,实现对大型工程机械的实时动态监测,提出了基于磁控溅射技术的光纤布拉格光栅(FBG)应力传感器封装方法。并对完全嵌套(整个栅区嵌套毛细铜管)和两端嵌套(栅区两端嵌套毛细铜管)两种封装方法开展了研究。从理论分析和有限元仿真的角度比较了传感器的增敏效果,前后结果一致。制备了传感器实物并进行了温度、应力和对比实验。仿真实验结果表明,该模型下FBG传感器能提高约7.5%的灵敏度。温度实验表明第二种封装结构的温度反馈相关系数R2达到了0.99948,在30℃∼80℃范围内呈现良好的线性度;应力实验的相关系数R2也达到0.99924,灵敏度为6.14 pm/MPa,在该实验搭建的解调系统下精度达到0.05 MPa,可以快速、精确地解调应力。对比实验表明,光栅解调仪组成的监测系统比应变片组成的监测系统具有更高的精度,最大偏差值减小了59.8%。嵌套毛细铜管的金属化方式结合有机胶固定的封装结构简单、灵敏度和精度高,可以满足大型工程机械表面无损实时健康监测的需求。

基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器

为了实现在侧边抛磨光纤(SPF)上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶(DCG)作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。

差动式光纤布拉格光栅渗压传感器的研究

为了对土壤中渗透水压力进行精确测量,根据波纹管的压力传感特性,以及等强度悬臂梁与光纤Bragg光栅的应变传感特性,设计了一种差动式光纤布拉格光栅(FBG)渗压传感器。传感器通过土壤渗透水压力推动波纹管轴向应变转化成等强度悬臂梁挠度变化,进而转化成FBG轴向应变。通过测量FBG中心波长的变化获得压力值,利用差动式结构降低了环境温度变化带来的影响。在常温条件下进行标定试验,得出升压过程中传感器的渗压灵敏度约为11.96 pm/k Pa,线性度为1.3%,重复性为2.9%;降压过程中传感器的渗压灵敏度约为10.56 pm/k Pa,线性度为4.6%,重复性为1.9%;环境温度变化对测量结果影响小于1%。试验结果表明,该光纤光栅渗压传感器能够对小量程范围内的渗压进行准确测量,同时可以通过改变波纹管及等强度梁参数将其推广到大量程的测量。

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6μm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。

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。

表面粘贴式光纤布拉格光栅应变传递规律分析与实验研究

粘贴于结构物表面测量应变,是光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的一种重要应用形式。在前人研究基础上,研究去除涂覆层的FBG的应变传递规律,并通过实验验证了理论分析结果。通过理论分析建立了纤芯层-粘结层-基体层的3层应变传递模型,运用仿真分析研究了粘结层剪切模量、光纤与基体之间的胶层厚度、光纤粘贴长度和宽度以及光纤上部胶层厚度对平均应变传递率的影响,分析了影响应变传递的主要因素,提出了增大应变传递率的方法,为表面粘贴式裸光纤光栅的应用提供了重要参考。实验中选用LOCTITE 401胶粘剂将裸光纤光栅粘贴于等强度梁上,通过应变测量实验验证了模型的准确性和有效性,实验中去除涂覆层的裸光纤光栅的平均应变传递率高达96%以上,与理论模型计算值相比误差在1%左右,很好地证明了裸光纤光栅用于应变测量的准确性和可行性。