基于FBG的机器手指尖触觉感知研究

为了提高机器手指尖触觉感知灵敏度和精度,基于机器手指尖触觉感知机理分析,设计了特征分离式双层“十字”型FBG触觉感知单元,并进行了有限元仿真分析,针对感知单元开展了标定实验和抓握感知实验。基于接触温度和抓握力复合感知进行了耦合分析,提出了基于鲸鱼优化算法优化BP神经网络(WOA-BPNN)的解耦方法。实验结果表明:FBG感知单元的接触温度灵敏度为11.255 pm/℃,抓握力灵敏度为17.342 nm/MPa;WOA-BP解耦模型的接触温度平均绝对误差减小了72.53%,抓握力平均绝对误差减小了68.55%。

基于FBG连杆变形感知及三维重构方法研究

连杆作为柴油发动机的关键零部件,其变形直接影响动力装备的性能和寿命。因此,检测连杆变形对保证动力装备的使用寿命具有重要作用。文中提出基于光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)船用柴油机连杆的变形检测技术,根据有限元分析连杆变形特点,设计FBG栅点的传感网络,建立连杆受力变形下的三维重构模型,并开发基于FBG连杆变形检测的软硬件系统,实现连杆变形的可视化监测。实验结果表明采用基于FBG的感知和重构技术检测连杆的变形是可行的,为连杆性能的精确检测以及船舶动力装备其他关键件的变形检测提供了新思路。

FBG传感器在起重机械局部损伤监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器自身应变传递特性和敏感范围波动较大,在应用过程中缺少结合被测结构性能和FBG传感器本身结构特点的应用方法。为此,研究FBG传感器在起重机械局部损伤监测中的应用。根据起重机械的内部振动状况构建损伤模型,在FBG传感器光纤的同一位置放置两个不同的Bragg光栅,并根据波长变化采集局部损伤数据,将采集到的数据输入自回归滑动平均模型(Autoregressive Moving Average Model,ARMA)中,提取损伤状态,完成起重机械局部损伤监测。实验结果表明,所提方法的反馈时间低于0.25 ms,监测到的应变数据与实际应变数据差距相近,监测的损伤部位与设定损伤部位一致,证明该方法监测反馈效率和监测精度高,监测效果好,适用于各种环境下的起重机械局部监测工作。

利用FBG传感器测试高温合金和陶瓷基复合材料的应变

利用光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器测量了高温合金和陶瓷基复合材料的应变特性,并与电阻应变片的测量结果进行了对比分析.将FBG应变传感器与电阻应变片分别粘贴在高温合金和陶瓷基复合材料试件的正、反面上,利用力学试验机对2种试件施加载荷,分别利用FBG解调仪和应变测试仪对FBG应变传感器和电阻应变片的信号进行实时解调.研究得出:FBG应变传感器与电阻应变片在一定的应变范围内,测量结果符合较好.因此,FBG应变传感器可代替电阻应变片,实现对材料的应变测量.

护理干预在肛瘘合并糖尿病患者中对FBG、2hPG及满意度的影响分析

本次研究的目的是探究肛瘘合并糖尿病患者采用护理干预后对FBG、2h PG及满意度的影响。本研究的研究对象,选自来我院就诊并且确诊为肛瘘合并糖尿病的患者,选取其中的50例进行分组,共分为两组,每组25例。其中25例编入对照组,给予常规护理模式;另外25例编入观察组,给予优质护理模式。然后在此基础上展开了此次研究,通过对比分析不同护理模式干预前、干预后两组患者血糖水平、并发症发生情况、术后疼痛情况及护理满意度,得出采用优质护理模式的观察组与采用常规护理模式的对照组,相比具有显著优势,优质护理模式应该在临床推广使用。

基于FBG传感器的卫星天线形变重构技术

针对由温度变化和外界机械载荷等因素引起的卫星天线结构形变重构需求,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的可视化形变重构技术。利用非金属封装材料和聚酰亚胺光纤光栅制备了FBG应变传感器和温度传感器进行应变与温度的测量,采用光纤传感解调系统实现结构的形变重构。搭建了变温环境天线结构模拟试件形变重构测试平台,采用激光测距仪完成对比测试。研究结果表明,通过相同工艺制备的FBG传感器具有很好的一致性,常温下FBG传感测量的误差小于5.94%,变温环境下的测量误差小于6.97%。重构后的曲面能够真实反映模拟试件的形变情况,验证了该系统的有效性。该技术在卫星天线结构形变重构领域中有良好的应用前景。

FBG反射谱数据滑动相关滤波算法设计与实现

针对光纤光栅解调系统中现有滤波算法计算速度与滤波效果难以兼顾的问题,提出了一种基于滑动相关滤波的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)反射谱滤波方法并在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上实现算法加速设计。该算法根据FBG半峰全宽确定高斯函数二阶导数的标准差,用函数的负数作为滤波模板权重,通过滑动数据窗口进行反射谱数据与滤波模板的相关计算,从而实现滤波操作。使用该算法处理含高斯噪声、坏点和基线的仿真数据,验证了该方法对多种异常反射谱数据处理的有效性,并与其他下位机滤波算法进行对比分析,该算法能较好地保留原始数据特征,有较好的鲁棒性,信噪比最高提升28.23dB,中心波长平均偏差和偏差标准差最小,分别为1.712 pm和2.996pm。同时在FPGA片上平台实现了该算法,采用循环队列策略设计存储器,提高了存储器使用率,降低了资源消耗。实验表明,该算法可以有效校正多种异常FBG反射谱,在100MHz系统时钟下处理一个反射谱数据所需时间仅5.09μs,易于实现工程化应用,克服了下位机现有滤波算法对FBG反射谱中坏点、基线抑制作用较差和滤波后信号变形的问题,实现了FBG反射谱滑动相关滤波算法的加速设计。

预应力锚固区FBG螺旋筋的研制

预应力锚固区的应力集中复杂,其承载和抗裂性能对预应力混凝土结构的安全耐久至关重要。针对锚固区应力应变检测难题,在其螺旋筋中径位置嵌入分布式的FBG,制备能可靠监测环向应变的FBG螺旋筋,并按国标GB/T 14370—2015对M15-9型锚具锚固区进行三组荷载传递试验。试验结果表明:FBG螺旋筋的全部测点均存活有效,能够全程跟踪锚固区应力变化;随着荷载的增加,其内部拉应变逐渐增大,在1.2倍极限荷载下实测出三个试件的螺旋筋实际最大拉应变分别为777.15、710.29、785.50με,其应力均未超过其材料屈服强度,螺旋筋尚处于弹性变形阶段。在0.6~0.8F_(ptk)加载过程中,试件侧表面开始出现竖向劈裂裂缝;1.0~1.2F_(ptk)加载过程中,首条裂缝均发展为主裂缝,同时加载端面出现斜裂缝,裂缝宽度最大值为0.15 mm,均满足规范要求。FBG螺旋筋应变传感器可为锚固区的服役期应力应变监测、预警及其设计方案提供一种有效手段。

基于高局域化FBG的液相扩散过程监测方法研究

提出了一种利用高局域化光纤布拉格光栅测量液相扩散过程的方法。采用飞秒激光和相位掩模法在载氢的普通单模光纤中成功制备了一种高局域化光纤布拉格光栅,其折射率变化区域在光束入射方向上高度局域在纤芯中,从而在透射光谱中除了具有纤芯模式对应的损耗峰之外,还具有丰富的包层模式对应的损耗峰,纤芯模式和包层模式对应的损耗峰分别达-17.6 dB和-17.2 dB。实验测得光栅截止模式对液体折射率很敏感,截止模式对应的损耗峰中心波长随液体折射率呈线性变化,折射率灵敏度为531.69 nm/RIU,而纤芯模式几乎不随液体折射率发生改变,可用于折射率测量过程中的温度补偿。将高局域化光纤布拉格光栅布设在两种液体的分界面处时,随着液相扩散过程的进行,光纤周围液体的折射率发生变化,通过监测高局域化光纤布拉格光栅透射光谱中截止模式中心波长的变化,实现了对液相扩散过程的原位实时监测。

基于埋入式FBG风力发电机桨叶复合材料监测

随着科技的进步,传统的表贴式光纤光栅已无法满足对风力发电机组监测的需求。因此,本文提出了一种基于埋入式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感网络的风力发电机桨叶碳纤维复合材料损伤监测方法。首先,通过创建碳纤维复合材料试验件的三维模型,并进行有限元仿真,确立了FBG的布点位置。然后,将FBG埋入试验件,并进行力学性能试验,以监测各传感点的应变数值和相关损伤情况。最后,对试验件进行超声波无损探伤验证。实验结果表明,埋入式FBG能够实时动态监测碳纤维复合材料内部的损伤情况,为风力发电机组的结构健康监测积累了经验。

甘精胰岛素与阿卡波糖联合治疗老年糖尿病对其FBG,2 hBG,HbA1c及治疗前后的体质指数分析

目的探究老年糖尿病治疗中采用甘精胰岛素联合阿卡波糖的价值。方法选取上海市嘉定区迎园医院于2022年6月—2023年9月收治的106例糖尿病老年患者作为研究对象,按随机数表法分为对照组(53例,给予阿卡波糖治疗)、观察组(53例,给予甘精胰岛素联合阿卡波糖治疗)。比较两组临床疗效、血糖指标、体质指数(Body Mass Index,BMI)、不良反应发生情况以及胰岛功能。结果观察组治疗总有效率高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);观察组空腹血糖(Fasting Blood Glucose,FBG)、餐后2 h血糖(2 Hour Post⁃prandial Blood Glucose,2 hBG)以及糖化血红蛋白(Hemoglobin A1c,HbA1c)均低于对照组,差异有统计学意义(P均<0.05);观察组体质指数高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);观察组不良反应总发生率与对照组比较,差异无统计学意义(P>0.05);观察组胰岛素抵抗指数(Homeostatic Model Assessment of Insulin Resis⁃tance,HOMA-IR)低于对照组,胰岛β细胞功能指数(Homeostasis Model Assessment-β,HOMA-β)高于对照组,差异有统计学意义(P均<0.05)。结论在老年糖尿病治疗中选择甘精胰岛素与阿卡波糖联合方案可降低血糖水平,改善体质指数及胰岛素功能,确保治疗有效性。

基于正弦式波纹膜片的压差式FBG静力水准仪

为解决建筑物不均匀沉降长期、可靠监测的问题,基于连通器原理,推导了膜片半径r、刚度K、光纤自由段长度l、波长变化量Δλ_(B)等参数和沉降量的线性关系式。以此设计了带有正弦式波纹膜片的压差式光纤布拉格光栅(FBG)静力水准仪,并通过标定试验验证压差式FBG静力水准仪的传感性能。结果表明:此静力水准仪灵敏度不小于13.2 pm/mm,综合误差不大于3.26%,相关性系数均在0.99以上。该型静力水准仪传感性能满足工程结构沉降测量的要求,丰富了FBG静力水准仪的研究,具有理论和现实意义。

基于应变增敏的双层十字型FBG触觉感知单元

触觉感知是仿生智能感知的重要内容,为了提高光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)触觉感知灵敏度,结合机器手指尖触觉感知需求,提出了一种应变增敏的FBG触觉感知单元。基于应变增敏机理和触觉感知机理分析,设计了一种基于应变增敏的双层十字型FBG触觉感知单元,采用刚性球型多点增压结构进行应变增敏。利用仿真分析方法优化了FBG空间分布,并对感知单元进行了静力学和热力学仿真。最后搭建了触觉感知实验平台,结合机器手完成了温度-力触觉协同感知实验。仿真和实验结果表明,FBG1和FBG2的力触觉感知灵敏度分别为18.069 nm/MPa和1.065 nm/MPa,温度感知灵敏度为11.256 pm/℃和11.153 pm/℃。该触觉感知单元有效提高了触觉感知灵敏度,具有良好的线性度和重复性。

高强钢丝表面封装FBG传感器的温度响应研究

为解决桥梁缆索高强钢丝表面封装光纤光栅应变传感器(HSW-FBG传感器)的温度修正问题,建立HSWFBG传感器的温度响应模型并推导其温度灵敏度系数计算公式,基于正交试验设计并制作9根HSW-FBG传感器,通过水浴试验对传感器的温度响应进行了验证与分析。结果表明:FBG传感器在封装后其温度灵敏度系数出现了较大变化,通过水浴试验验证了HSW-FBG传感器的温度灵敏度系数计算公式的准确性;通过影响参数分析及极差分析,温度灵敏度系数的影响顺序由主到次依次为基体热应力系数、光纤初始波长、封装材料热应力系数、封装层横截面面积,其中基体材料对HSW-FBG传感器温度响应具有决定性作用。HSW-FBG传感器的温度响应研究结果将为其工程应用打下坚实的基础。

考虑混凝土弹塑性的植入式GFRP封装FBG传感器应变传递分析

工程化FBG传感器的封装层引入的应变传递损耗使其具有应变传递误差,需进行应变传递分析。已有研究多聚焦于基体处于线弹性时的应变传递分析,而混凝土结构发生弹塑性变形后的应变传递规律尚未明晰。以植入式GFRP封装FBG传感器为对象,在应变传递分析中引入混凝土的非线弹性本构关系,建立了基体与FBG的应变传递关系,通过有限元模拟验证了该理论推导的有效性。基于理论分析探讨了混凝土弹塑性演化、混凝土标号、传感器半径与标距等因素对应变传递效率的影响,并分析了传感器的尺寸设计。研究表明:平均应变传递率在混凝土弹性阶段变化较小,而到塑性阶段则显著降低,混凝土标号、半径与标距都会对应变传递效率产生较大影响。本研究可广泛用于植入式FBG传感器的应变传递误差修正及设计。

基于FBG自感知钢绞线对预应力混凝土梁抗弯性能监测

为解决预应力混凝土梁的抗弯性能难以实现实时监测的问题,设计制作了两根不同线型的预应力混凝土梁,利用串联式FBG传感器内嵌于钢绞线技术,对预应力混凝土梁的抗弯性能进行实时监测。对直线及曲线孔道预应力混凝土梁进行三分点对称集中力加载试验,分析FBG传感器对梁抗弯性能的监测效果。监测结果表明:FBG传感器存活率为100%,监测数据具有稳定性,相较于电阻应变片更适合预应力混凝土梁抗弯性能的监测;同一筋材各测点处FBG传感器的应变发展趋势基本一致,荷载-应变曲线所反映的实际受力状态与理论描述受力状态一致;混凝土开裂前,FBG监测梁中应变最大误差为9.77%,远小于电阻应变片的最大误差47.63%;混凝土开裂时,FBG自感知钢绞线能跟随裂缝开展而发生突变;受拉钢筋屈服后,FBG自感知钢绞线能准确识别外荷载,且在梁中承担的力与外荷载增加量的误差小于12%。该技术实现了对梁体内预应力钢绞线及梁受力过程的实时监测。

准分布式FBG钢绞线传感性能分析与RPC梁变形监测试验研究

针对预应力混凝土结构预应力筋受力状态的监测难题,提出了凹槽预压封装准分布式FBG技术,解决了FBG存活率低和监测量程不够的技术难题。通过循环张拉试验和预应力RPC梁加载试验,探究了准分布式FBG钢绞线的传感性能及其对混凝土结构应力状态的监测效果。结果表明,FBG存活率为100%,应变灵敏度为0.00118~0.00120 nm/με,应变传递率β≥0.98,线性度≤2.096%,回差≤1.043%,重复性≤3.615%,总不确定度≤3.881%。准分布式FBG钢绞线可准确识别RPC梁的损伤过程,45%f_(ptk)、65%f_(ptk)、75%f_(ptk)(f_(ptk)为钢绞线极限强度)预应力RPC梁的开裂荷载分别为100 kN、130 kN、140 kN,纵筋屈服荷载分别为260 kN、280 kN、300 kN。RPC梁挠度和钢绞线应变为抛物线型分布,最大挠度分别为27.691 mm、20.153 mm、14.602 mm,最大应变分别为4163.025με、3715.126με、1658.487με。准分布式FBG为预应力结构的整体监测提供了思路。

FBG技术监测分析机场跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程

反射裂缝是导致机场跑道加铺层失效的主要病害之一。为分析机场水泥跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程,本文基于光纤布拉格光栅(FBG,fiber Bragg grating)传感技术,提出了可用于实时监测机场水泥跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程的柔性FBG传感器封装方法,并对研发的FBG传感器进行了标定。基于室内组合梁试验,分析了机场水泥跑道沥青加铺层复合结构反射裂缝扩展过程,包括微裂纹萌生与积累、反射裂缝扩展、反射裂缝贯通3个阶段。在反射裂缝扩展初期,FBG传感器中心波长增长速率相对较小;随着反射裂缝逐渐扩展,FBG传感器中心波长迅速增大。结果表明,柔性FBG传感器全部存活且性能完整,验证了其在实时监测机场水泥跑道沥青加铺层反射裂缝扩展过程中的可行性。

液压支架FBG倾角传感器的设计应用

在煤矿井下的支护中,FBG(Fiber Bragg Grating,光纤布拉格光栅)传感技术的应用和支架支护的检测具有一定的价值和重要性,因此需要对支架FBG倾角传感器进行设计,以提高矿采安全性。以A煤矿为例,在介绍采煤工作面概况后,对支架倾角姿态监测系统进行了分析,具体探讨了基于FBG的倾角传感器设计,并从监测原理、准确度补偿等方面进行了讨论。最后从模拟实验角度对FBG倾角传感器的应用价值进行了探讨,得出该倾角传感器能对顶梁、底座及前连杆的倾斜角度进行姿态监测,利于实时掌握支架的支护状态,及时调整支护参数,进一步提高采矿安全性。

基于FBG测温原理的风速传感器研究

针对目前矿用风速传感器安全性能差、易受环境干扰、量程小、难以监测微风速等问题,设计一种光纤热线式风速传感器。测试结果证明,该传感器针对低风速的灵敏度更高,风速在0~0.57 m/s时,分辨率最高可达0.7 mm/s,灵敏度可达1370 pm/(m/s);随着风速的升高,传感器响应时间在降低,波长动态区域也在升高。该传感器能够适应矿井恶劣环境,具有较好的稳定性、可靠性及高灵敏度,监测监控值可以很好地反映出矿井现场风速变化情况。