基于FBG的微小型三轴振动传感器研究

为了研制一种微小型、三轴测量的高灵敏度振动传感器,提出一种分立元件交错组合的超紧凑光纤光栅三轴振动传感器设计方法。采用分立元件组合设计方法降低了设计加工难度,与一体化设计对比,分立元件组合结构的零件结构简单、易于加工、结构设计也更为灵活,缩短了传感器结构的优化迭代周期。通过理论模型分析和有限元仿真,优化传感器结构参数,最终封装完成的尺寸为15 mm×15 mm×15 mm,质量约为24.26 g。最后进行实验测试和传感器性能分析。实验结果表明:该传感器的工作频段为0~1 200 Hz,在X、Y、Z轴方向的固有频率分别为1 850 Hz、1 770 Hz和1 860 Hz,三个轴向的灵敏度分别达到77.37 pm/g、80.73 pm/g和75.04 pm/g,横向抗干扰小于5%。该传感器满足航天振动测量轻量化、工作范围和灵敏度的应用需求,在遥感卫星微振动测量等领域具有重要应用前景。

基于F-P标准具非线性波长校准的FBG传感系统解调方法

针对光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)解调系统在变温环境下由于波长漂移引起的解调精度不足问题,提出了一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)标准具非线性波长漂移校准的FBG传感系统解调方法。研究建立了引入F-P标准具的FBG解调系统,设计了基于F-P标准具非线性误差补偿的波长校准流程,搭建了FBG解调系统在航空航天实际应用环境中的模拟实验系统,并在恒温及变温环境下进行了实验测试。实验结果表明,本文所提出方法在恒温及变温环境下的传感系统解调稳定性在±0.6 pm及±1.1 pm以内,且在变温环境下传感系统解调的波长漂移量从20.3 pm减小到0.7 pm。验证了解调方法的精度和稳定性,为航空航天等领域的结构健康监测提供了参考。

光纤传感微创手术探针末端三维力测量方法

手术探针末端的接触力反馈是保障手术安全性的重要因素之一。本文针对穿刺手术探针末端三维力测量的需求,研究了基于核极限学习机(KELM)神经网络的光纤传感微创手术探针末端三维力测量方法。首先,设计了可植入光纤传感器的手术探针结构,将4根光纤布拉格光栅(FBG)传感器植入探针中,其中3根FBG用于力测量,1根FBG用于温度补偿。接着通过分析探针应力和应变之间的关系,建立了基于FBG的探针三维力传感模型。同时为了消除温度变化对光纤传感器的交叉影响,研究了光纤传感温度补偿方法。最后,为了验证本文所研究测量方法的有效性,对植入光纤光栅的探针进行了温度标定,并分别在常温和变温环境下进行了三维力测量。实验结果表明:KELM网络测量结果在常温环境下X、Y、Z方向上平均测量误差为0.22%、0.99%、0.65%;在20℃~40℃的变温环境下,X、Y、Z方向上平均测量误差分别为1.32%、1.03%、2%,本文所研究的KELM神经网络末端三维力测量方法具有较小的测量误差,在手术机器人力反馈领域有广阔的应用前景。

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。

光纤气泡压力传感特性测试及误差分析

针对临床心脏固定器吸附压力的监测问题,提出一种全单模光纤气泡法布里珀罗(Fabry-Perot,FP)结构的压力传感器件,并对其压力传感特性进行测试研究和误差分析。建立光纤气泡的压力传感模型,通过化学腐蚀结合电弧放电技术实现光纤气泡结构的制备。针对压力测试的实验要求,设计并分析不同进气孔位的流场特性,优化密闭腔体结构。搭建气路系统,对光纤气泡结构进行压力传感特性测试,分析重复测量条件下器件的灵敏度和线性度,并进行误差分析。实验室数据表明:正压0.1~0.2 MPa测试范围内,光纤气泡灵敏度为2.56 nm/MPa;负压-5^-30 kPa测试范围内,光纤气泡灵敏度为1.72 nm/MPa,线性拟合度整体优于0.9。该文可为光纤传感器在心脏固定器吸附压力监测问题中的应用提供一定的前期参考。

农业装备升降装置非接触式光纤位移传感器设计与试验

为了解决农业设备位移的宽量程、高灵敏度非接触测量问题,提出一种基于Peanut-shape迈克尔逊干涉结构的非接触式光纤位移传感器。分析了光纤Peanut-shape迈克尔逊干涉原理,设计了将磁场与Peanut-shape结构形成的全纤式迈克尔逊干涉相结合的传感器结构,并通过磁场仿真,得到磁场强度曲线。建立了传感器应变标定系统和位移测试系统。试验结果表明:Peanut-shape迈克尔逊干涉的光纤传感器应变灵敏度达到1. 82 pm/με,是普通光纤的1. 5倍,线性度为0. 997;位移测试得到的光谱曲线与磁场仿真曲线结果一致,可以实现位移的测量,且线性拟合度达到0. 999。

多光束干涉光纤FP探针脉动微压传感研究

本文提出一种面向脉动微压传感的多光束干涉光纤法布里-珀罗(FP)探针。建立探针多光束干涉波长漂移与微压传感模型,分析其在气、液相环境中微压灵敏度差异。采用化学腐蚀、放电熔接、精密切割技术制备光纤探针器件。利用医用注射器、透明柔性软管、石英插芯构建微压测试环境,通过有限元仿真分析测试环境内部压强分布情况,在气相环境压强范围14.41~85.22 kPa、液相环境压强范围4.50~26.02 kPa的测试条件下,对3支光纤探针微压传感特性进行分析。实验结果表明,气、液相环境中,探针波长均随压强增大发生红移现象,反之,发生蓝移现象;气相环境探针平均微压灵敏度可达8.210 pm·kPa,液相环境探针平均微压灵敏度可达66.720 pm·kPa,高于气相环境,与理论模型相符。选取气、液相环境中微压灵敏度最高的光纤探针进行液相脉动微压传感特性研究。实验结果表明,5个脉动周期内探针波长响应良好,且重复性误差较小。本文提出的光纤探针结构紧凑,易于制备,灵敏度高,可实现1 Hz频率范围内的脉动微压传感,为液相环境脉动微压传感提供了重要的参考价值。

基于法布里-珀罗干涉的光纤倾角传感技术研究

提出一种基于法布里—珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉的光纤倾角传感器,该传感器由单模光纤和毛细管组成。首先,分析光纤干涉原理和倾角传感原理;然后,制作封装光纤倾角传感器;最后,完成光纤F-P传感器倾斜实验,通过对采集得到的数据分析得到传感器倾角的响应特性,并进行温度实验探究温度对传感器波长漂移的影响。实验结果表明:在0°~10°测量范围内,测量角度和反射波长呈线性关系,倾角灵敏度为0.2031 nm/°,线性度为0.99707;在45~49℃温度范围内,温度灵敏度为4.777 nm/℃,线性度为0.99934。该传感器具有结构简单、成本低、灵敏度高等特点,具有广阔的应用前景。

植入光纤光栅的软体驱动器形状传感研究

软体机器人由于具有柔顺性和适应性等特点,在外科手术和狭窄空间等方面具有无可比拟的优势,为了实现微创手术等狭小空间中软体驱动器的姿态传感监测,提出基于植入式光纤光栅的柔性传感方法,首先将光纤布拉格光栅(FBG)植入在软体驱动器中;然后在软体驱动器的不同弯曲状态下,通过实验测试分析FBG点的光谱、波长漂移量和曲率等信息,利用3次样条插值等算法实现软体驱动器的三维形状拟合重构。实验结果表明,驱动器实际弯曲角度和重构算法之间的误差不足4.5%,传感器重复性的偏差指数不足7%。所提出的基于植入式光纤光栅的柔性传感方法可以实现软体机器人的姿态传感监测,在医疗外科手术领域具有广阔的应用前景。

基于端面镀膜和基底增敏的级联法布里-珀罗光纤温度传感器

为实现高精度温度传感,设计了一种基于端面镀膜和铝合金基底增敏的级联法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)结构的光纤温度传感器。传感器采用3个端面镀金膜的单模光纤构成级联FP结构,并将此结构封装在热膨胀系数较大的铝合金基底上。级联FP结构中第一FP腔介质为空气,第二FP腔介质为光纤。端面镀金膜可增加光谱干涉对比度,金属基底可增加第一FP腔随温度的长度改变量并提升温度测量灵敏度。该级联FP传感器具有良好的线性度和优异的灵敏度并能通过改变空气腔的封装尺寸可实现灵敏度的调整。传感器测试结果表明传感器反射谱的条纹对比度达18 dB,在25~50℃范围内其相关系数为0.999 3,温度灵敏度为2.812 nm/℃,灵敏度较单一的光纤FP腔干涉仪提高了255倍。

光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m^(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m^(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。

卫星镜头结构光纤光栅温度传感器研究

为了解决卫星星敏感器光学镜头结构在轨温度监测问题,提出一种弧形基底封装的光纤光栅温度传感器。分析了星敏镜头结构特征与光纤光栅温度传感原理,采用飞秒激光刻写的光纤光栅作为敏感元件,设计了可贴合于星敏镜头结构特征的弧形封装基底,完成了光纤光栅温度传感器封装,并对传感器进行了拉伸测试、温度标定及温度重复性测试,并已应用于实际工程中。结果表明:弧形封装结构形式的光纤光栅温度传感器线性度可达 0 998,温度灵敏度达到 8 54pm/℃,同一温度下中心波长变化量在 2pm以内,且受弧形基底封装结构变形产生的应变影响小。卫星在轨温度监测,光纤光栅传感与电子式传感相差±3℃。可以实现星敏镜头结构的温度测量功能,在星敏感器结构在轨温度测温中具有应用前景。

基于双金属结构的光纤光栅温度不敏感滤波器

为提高光纤陀螺宽谱光源的平均波长稳定性,提出了一种用60μm超短光纤光栅制作带宽11.77 nm温度不敏感滤波器的方法。利用金属材料的热膨胀系数差,设计了双金属温度补偿结构,能够随温度的升高/降低对光纤光栅压缩/拉伸,有效地补偿光纤光栅由热光效应引起的波长变化。在30~60℃的温度范围内,光纤光栅的温度灵敏度系数为0.15 pm/℃,较未补偿前降低了60倍以上。该结构具有较好的温度不敏感性,可作为光源滤波器提高光源的平均波长稳定性并有望用于高精度光纤陀螺。

浮空器柔性复合蒙皮形变光纤布拉格光栅传感器应变传递特性

为提高浮空器气囊蒙皮形变光纤布拉格光栅监测的应变传递效率,研究了柔性复合蒙皮光纤光栅应变传递特性。针对柔性复合蒙皮材料结构特征,建立了“光纤光栅—粘贴层—蒙皮结构”三层应变传递模型,推导出应变传递变化函数,通过解析方法和有限元方法对光纤光栅传感器各点应变传递率进行了计算,并分析了粘贴层及蒙皮结构相关参数对应变传递率的影响,得出表面粘贴式光纤光栅传感结构最佳封装参数。研究结果表明,对于传感器中部的应变传递效率,解析和数值方法计算误差小于5%,当粘贴层弹性模量为0.5 GPa、粘贴长度为40 mm、粘贴宽度为6 mm、上下粘贴层厚度分别为0.2 mm和0.1 mm时,光纤光栅应变传递模型封装参数优化后的应变传递率可达97.04%,可满足浮空器气囊形变监测的灵敏度要求。

基于全保偏光纤的反射式双折射干涉温度传感器

为了解决透射式光纤温度传感结构不利于测试、灵敏度不高的问题,提出并设计了反射式熊猫型保偏光纤双折射干涉温度传感器。首先通过理论分析并数值仿真研究了熊猫型保偏光纤传感臂长度、转轴角度与温度传感灵敏度之间的关系,并通过在传感臂端面镀金的方式提高反射率。在此基础上,搭建了光纤温度传感测试系统,测试结果表明,在转轴熔接45°、保偏光纤传感臂长度L=80 cm的条件下,50℃~56℃范围内传感器灵敏度可以达到2.741 nm/℃;在保偏光纤传感臂长度为L=7 cm、转轴熔接30°的条件下,65℃~76℃范围内传感器灵敏度为1.400 nm/℃。最后,把设计的温度传感器用于卫星模型温度的测量实验,验证了传感器应用的可行性及有效性。不同波长波谷的漂移量与温度变化呈现良好的线性关系。

光纤布拉格光栅解调系统的光谱数据高速传送方法

针对工程应用中使用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)测量炮膛温度瞬变、高频振动等信号时光谱成像法数据传输带宽高的需求,提出了一种基于直接存储器访问(direct memory access, DMA)的光谱数据高速传送方法,设计了基于Zynq的光谱数据高速传送硬件逻辑,利用光谱成像法原理搭建了FBG解调系统,实现了DMA方式的光谱数据同步传送以及FBG波长解调计算。数据传送仿真实验与FBG中心波长解调结果表明,解调系统可以将FBG光谱数据进行高速传送,数据传输带宽为320 Mbit/s,解调速率达到34 kHz,光谱数据传送具有较高的稳定性。

螺旋型光纤传感软体操作臂状态测量及特性分析

微创手术软体操作臂是微创外科和机器人领域的科学前沿和研究热点,对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体操作臂的状态测量问题,以直线型布设在软体操作臂中的光纤传感器,在柔性操作臂伸展和弯曲等运动时存在易断裂和可重复性差等问题,未能实现手术操作臂的闭环控制,限制了其手术应用。为此,提出了一种基于螺旋型光纤传感的软体操作臂状态测量方法,并对其传感特性进行了研究。不同于直线布设光纤的传感方法,螺旋型布设光纤的传感方法可以实现可伸缩软体操作臂的测量,防止光纤在软体操作臂中的错位,满足可伸缩弯曲软体操作臂的测量需求。通过理论分析气动驱动软体操作臂伸缩和弯曲的运动特性,利用光纤上刻写的布拉格光栅传感点,建立软体操作臂中螺旋型光纤光栅的传感模型,推导出光纤光栅中心波长漂移量和软体操作臂弯曲曲率之间的关系。最后,为了验证螺旋型光纤光栅在软体操作臂中的传感性能,对其传感灵敏度和稳定性等进行了实验测试。实验结果表明:提出的螺旋型光纤传感方法可实现操作臂伸长10%、弯曲角度达到180°时的状态测量,且操作臂理论弯曲角度和光纤传感的误差最大为9%,传感灵敏度可达12.55 pm/(°),满足软体操作臂伸缩和各向弯曲操作时的测量需求。

基于光纤阵列的气流传感方法研究

提出了一种基于光纤光栅阵列的光纤气流传感器。单模光纤光栅的栅区长度为10 mm,将三根光纤光栅均匀环绕布设于硅胶基体。传感器外界环境温度以及气流流速的改变都会引起传感器反射谱的变化。通过监测反射谱可以实现对外界物理量的测量。实验分析可知,硅胶基体与光纤光栅有着很好的耦合效果,通过改变硅胶基体的长度使得传感器的传感特性得到有效改善。实验研究结果表明,在正常室温情况下,传感器的中心波长漂移量与流速成二次函数关系且传感器具有方向传感特性。本文提出的光纤阵列气流传感器结构紧凑、制作工艺简单、可靠性高。

基于啁啾光纤光栅激光器的温度传感特性

提出并设计了一种环形腔掺铒光纤激光用于温度传感的方法。利用啁啾光纤光栅进行光学滤波,结合未泵浦掺铒光纤作为可饱和吸收体稳频,实现了环形腔掺铒光纤激光器单波长激光输出。通过温度变化实验,实现了单波长激光输出的温度传感测量。泵浦源输出功率为219 mW时,实现了1555.25 nm单波长激光输出,3 dB线宽为0.06 nm,边摸抑制比为47.05 dB。实验中对1555.25 nm单波长激光进行稳定性测试,10 min内激光输出功率变化为0.59 dB。利用温度加热平台对啁啾光纤光栅进行升降温实验,升温过程温度灵敏度为12.59 pm/℃,线性度为0.9986,降温过程温度灵敏度为12.58 pm/℃,线性度为0.9983。不同温度条件下对激光进行稳定性测试,在10 min监测时间范围内,50℃和300℃激光输出功率变化分别为0.27 dB和0.09 dB。

熔融七芯光纤球对称的Mach-Zehnder干涉传感特性

提出了一种基于七芯光纤和单模光纤熔球对称型Mach-Zehnder干涉传感器。单模光纤端面熔接制作直径180μm光纤球,将2个光纤球中间熔接一段七芯光纤,位于Mach-Zehnder干涉结构中间的七芯光纤长度为9 mm。传感器外界环境温度、曲率的改变都会使传感器的纤芯基模和包层模的光程差发生改变,从而引起传感器干涉谱发生变化,通过监测干涉谱可以实现对外界物理量的测量。通过建立的有限差分光束传播法仿真分析结果可知:光纤球结构增加了七芯光纤的光耦合效率,七芯光纤结构的干涉效应得到了有效改善。实验结果表明:当温度在20~95℃范围内变化时,传感器的温度灵敏度为58. 97 pm/℃,线性度为0. 996 22;曲率在0~1 m-1变化范围内,传感器的曲率灵敏度为2. 55 nm/m-1,线性度为0. 996 73。设计的传感器结构紧凑、制作工艺简单、可靠性高。