变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法

为解决变形机翼柔性蒙皮形状实时监测问题,研究柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法。理论分析了光纤光栅波长漂移与柔性蒙皮弯曲曲率的关系以及基于曲率信息的插值曲面重构算法;建立了柔性蒙皮曲率标定实验系统,制备了两层硅橡胶间加入有机硅胶并布设光纤光栅传感器的柔性蒙皮;实验测量了不同曲率下不同样本之间的波长漂移,分析了光纤光栅波长漂移量与柔性蒙皮曲率的关系,采用插值算法重构出柔性蒙皮变形曲面,验证了变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感实时监测的技术可行性。研究结果表明:光纤传感方法可用于柔性蒙皮形状实时感知,柔性变形可测量曲率范围不小于为25 m~(-1),灵敏度可达28.07 pm/m~(-1)。光纤传感方法在变形机翼形状实时监测中具有应用前景。     

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。     

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。     

渐进式内窥镜形状的感知和重建

给出并分析了一种内窥镜镜体形状感知系统,特别是给出了曲率传感头的检测原理,及介入装置和控制子系统的设计.将中心波长为1539.234nm和1538.882nm的两根布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)封装在细径基材上,构成直径为3mm应变测量传感器.在介入装置作用下,传感器沿内窥镜活检钳道按平均速度30mm/s间歇式推进,并在介入过程中,每隔50mm等间隔距离采样传感器上的Bragg波长变化值,推算出各点的应变和空间曲率信息.最终运用基于离散点曲率信息的空间曲线拟合方法重建内窥镜镜体的空间形状.实验结果表明:系统原理的可行性,对圆形实验模型的测试表明,传感器插入1000mm后其末端在x、y和z方向上的误差分别为0.5mm、0.8mm和-3.4mm.同时也表明:介入人体的肠道内窥镜形状显示可极大地提高内窥检查安全性.     

基于改进的活动轮廓模型的胸膜接触型肺结节分割

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。     

基于光纤光栅传感阵列及双目视觉的内窥镜三维显形系统的研究

内窥镜柔性杆在体内的形状显示是一种新型的技术,在这种技术的帮助下,当病人的结肠处于一种不正确的位置上或者说在进境的过程中内窥镜柔性杆的形状形成了扭曲,而形状扭曲会导致内窥镜检查的不安全陛,如果预先知道这种状况的发生,就能给诊断带来安全陛.本文主要研究了一种基于光纤光栅传感阵列的内窥镜柔性杆的形状及双目视觉的内窥镜镜手柄部分的姿态检测方法,这两种方法的集成构成了整个内窥镜的显形系统.详细的分析包括基于光纤光栅传感器信息的检测原理以及空间曲线重建算法,内窥镜手柄部分相对于世界坐标系的位姿估计.实验结果证明了提出方法的有效性.比较以前的研究,形状重建的精度已经提高到了4.5mm.通过加入内窥镜手柄的位姿检测,整个三维形状显示子系统变得更加有效和更实用化.     

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。     

非开挖地下管线探测中的弯曲变形检测装置研究

提出了一种新型的利用光纤光栅传感器进行管线弯曲变形检测的方法。将两根布拉格光纤光栅成90°粘贴在一种细径弹性基材上,形成直径5 mm的弯曲变形测量传感器。然后将传感器封装在特殊的定心机构里面,初步解决了传感器检测过程中的定心和卸载问题。通过标定,得到两根布拉格光纤光栅中心波长变化值与传感器弯曲曲率的比例系数分别为524.0 733和485.7 432。定心机构带动传感器沿被检测管线间歇式前进,在前进过程中,用光纤光栅解调仪每隔50 mm等间隔点上采样传感器的波长读数,经计算得到相应各点的应变和空间曲率信息。然后运用基于等距离离散点曲率信息的空间曲线重建方法重建出管道的空间位置形状。     

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。     

声发射与超声波同时敏感的光纤光栅传感网络研究

针对声场分布的特点和光纤光栅的轴向应变敏感性,提出一种同时进行声发射和超声测量的扇形光纤光栅传感网络。搭建了光纤光栅高速波长解调系统,实验研究了声发射、超声波单独作用和联合作用下传感网络的信号响应强度和时频特性。实验表明,该传感网络可进行声发射与超声信号的同时测量,并可检测到非线性超声现象;声场扩散角内轴向布置的光纤光栅声响应强度高,而横向布置的光纤光栅对声信号不敏感。     

柔性曲面形状检测传感网络设计

针对太阳能帆板等柔性曲面检测,其动态变形检测难度大。用光纤光栅（Fiber bragg grating,FBG）设计曲面传感阵列,利用空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器网络的数目根据波动理论和检测仪器的最大解调范围确定;传感网络在曲面的分布根据曲面应力状况和变形特点进行植入式分布,在振幅最大的位置布置传感器,在曲面应变大的位置布置稠密,反之稀疏,根据曲面变形的有限元模型,实现模拟太阳能帆板柔性曲面传感网络设计。并对传感网络的检测精度进行试验,试验表明此传感网络中传感器检测具有良好的线性关系,传感网络中传感器布置位置合理,传感网络能够检测帆板的多种变形。传感器封装在保持40 mm的长度中,传感器测试误差仅有0.4％,柔性曲面测试误差小于4%。     

Application of Fabry-Pérot and fiber Bragg grating pressure sensors to simultaneous measurement of liquid level and specific gravity

An approach is proposed for obtaining simultaneous measurements of the level and specific gravity of a liquid using a dual-pressure-sensor system comprising a fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor and a Fabry-Pérot (FP) pressure sensor. In the FBG sensor, the pressure is derived from the FBG wavelength shift induced when the sensor is immersed in the liquid. Meanwhile, in the FP sensor, the pressure is calculated from the change in cavity length which takes place when the sensor is immersed. The advantageous concept of the dual-pressure-sensor system is atmospheric pressure compensation. The experimental results show that the FBG and FP pressure sensors have sensitivities of 0.1495 nm/kPa and 0.1569 μm/kPa, respectively. Analytical formulae are derived for the level and specific gravity of the liquid in terms of the FBG wavelength shift, the change in cavity length, and the vertical separation distance between the two sensors.     

基于 FBG 柔性传感器的形状重构

基于 PDMS 材料封装的光纤光栅(FBG)柔性传感器检测物体形状,研究了传感器个数与布局对不同形状物体重构精度 的影响。 使用 COMSOL 仿真软件验证了算法的准确性,制备了 4 个 FBG 柔性传感器并对其进行曲率标定,将传感器分布在铝 合金板上,均等分布 3 和 4 个 FBG 柔性传感器重构的最小相对误差分别为-6. 12% 和 0. 48% ,实验结果表明,使用 4 个传感器的 重构效果较好。 因此,在 7 组不同布局选择 4 个传感器,铝合金板一端分别施加 4 种不同重量的砝码,间隔为 260、100、90 mm 和 150、150、150 mm 的布局方式相对误差小重构效果好,且在第 7 组的相对误差都是最小,分别为 6. 22% 、-1. 01% 、-2. 52% 和 -3. 22% 。 本文制备的 FBG 柔性传感器为软机器人形状重构领域提供了应用基础。     

一种新型的内窥镜三维形状重构与定位算法

本文在研究智能内窥镜显示系统前提下,提出了一种新的内窥镜形状重构算法以及内窥镜前端的定位方法.在不改变内窥镜结构的情况下,将FBG(fiber bragg grating)传感器阵列内置于内窥镜钳道中,通过测得内窥镜中FBG传感器波长的变化来推导内窥镜任一点相对于内窥镜末端点的位姿,从而利用曲线拟合的方法重构出整个内窥镜的形状以及对前端的定位.受安装条件的限制,FBG传感器检测单元封装在SMA (shape memory alloy)合金丝上的真实位置与理论位置有较大的误差.为了减少安装精度对整个形状重建的影响,对传感器安装误差进行了分析以及对形状重构算法进行了修正.实验结果表明内窥镜前端的位置精度提高到了4.5 mm.     

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。     

用于复合材料蒙皮的FBG正交传感网络研究

为了实现对复合材料蒙皮的结构健康监测与损伤识别,本文在对光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器理论分析的基础上,结合CFRP材料特性和波分复用技术设计了一种由16个FBG传感器构成的光纤光栅正交传感网络布局,对碳纤维复合材料(CFRP)蒙皮进行相关准分布式传感网络研究。通过对复合材料中心位置进行逐级加载实验,并提取中心波长漂移量做相关性分析,证明了正交对称FBG传感网络对CFRP蒙皮进行结构健康监测的可行性,同时对称布局位置处的FBG传感器信号具有高度相关性质,相关系数可高达0.9996。实验结果为进一步研究准分布式FBG网络的位置布局优化以及传感网络的可靠性冗余设计提供了依据。     

两种封装的光纤光栅温度传感器的低温特性

介绍了光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Gratings)温度传感器的两种封装形式。推导了两种FBG温度传感器的温度敏感因素并进行了实验验证。实验研究了两种FBG温度传感器在-70~0 ℃的中心波长低温变化特性,比较了相同条件下两种FBG温度传感器的实验结果。结果表明:细不锈钢管封装的FBG温度传感器的中心波长在-60 ℃时发生了突变,急剧下降;而镀金FBG温度传感器的中心波长在-70~0 ℃随温度线性变化,重复性较好并且几乎没有迟滞现象。两种传感器在线性变化区间的温度灵敏系数KT 分别为28.2 pm/ ℃和21.3 pm/ ℃,分别是裸光纤布拉格光栅的3倍和2.3倍,它们的线性拟合度都超过0.999。     

Strain sensing characteristic of ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings damage detection technique

There are good prospects for development of ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings (UE-FBGs) damage detection techniques in the field of Nondestructive Testing (NDT). However, corresponding strain sensing theories are few and only applicable to the embedded fiber Bragg gratings (FBGs) sensors in composite structures. First, a four-cylinder sensing model for both the embedded and glued FBG sensors is established by introducing a surface-bonded effect coefficient obtained from simulation analysis in this paper. According to the shear-lag theory, an improved strain sensing function is derived from this model by considering the contribution made by the elastic modulus of host material. Then, based on above function, the strain sensing characteristics are analyzed. Finally, the system with an ultrasonic transducer to excite FBG and a demodulation device employing a tunable laser to detect FBG wavelength shifts was established to validate the theoretical analysis. The experiment results showed that the ultrasonic strain sensing ability of the FBG sensor decreased with the increase of ultrasonic frequency and glued thickness.