基于布拉格光栅测温解调系统研究

光纤布拉格光栅传感器是利用布拉格光栅波长对温度、应力的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器,具有抗电磁干扰、测量范围大、动态范围广、稳定性好等优点。光纤光栅传感器的解调技术是目前光纤光栅传感技术研究领域的重点和难点之一,开发高精度、低价格的解调系统成为光纤光栅传感器大量应用于实际的关键。简要介绍了光纤光栅的发展动态和应用现状;系统地介绍了光纤光栅的解调原理,并给出了采用边缘滤波器法实现光纤布拉格光栅温度解调的模型;利用所设计的光纤布拉格光栅传感解调系统进行了光纤布拉格光栅的温度解调实验,并对实验结果进行了分析和处理,验证了基于光纤布拉格光栅温度解调方案的可行性。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

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。     

基于粒子群解耦算法的 FBG 流量温度复合传感研究

针对光纤布拉格光栅流量温度复合传感解耦困难的问题,提出了一种基于粒子群解耦算法的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器。首先,结合光纤布拉格光栅传感理论和流量温度复合传感理论,研究了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感机理。然后,设计了悬臂梁为空心圆柱的一体靶式结构的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器,搭建了流量温度实验系统平台,进行了温度和流量复合传感实验。最后,提出了一种基于粒子群算法的FBG流量温度复合传感解耦方法,并运用所设计的粒子群算法对实验数据进行流量与温度解耦研究。研究结果表明,解耦后传感器在3～8 m~3/h的范围内其流量最大误差为0.014 m~3/h,温度最大误差为0.021℃,流量测量误差为0.28%,温度测量误差为1.5%,流量均方误差为1.16×10^-4 m~3/h,温度均方误差为1.53×10^-4℃,与神经网络算法进行性能比较后,结果表明所采用的粒子群算法解耦效果良好,有效地提高了传感器的测量精度。     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

基于光纤布拉格光栅的柔性触滑觉复合传感研究

针对仿生皮肤柔性触滑觉复合传感问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的双层分布式传感单元。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感机理,推导了基于参考光栅的温度补偿原理;然后,利用聚合物弹性材料对光纤布拉格光栅传感阵列进行保护性和增敏性封装,设计了双层"十字型"的分布式传感阵列单元,并对传感阵列单元压力灵敏度进行了仿真分析研究;最后,搭建实验系统平台,对柔性复合传感器进行了温度、触觉和滑觉传感实验。仿真和实验结果表明,该柔性触滑觉传感器具有良好的线性度和响应速度,温度灵敏度为13 pm/℃,是裸光纤布拉格光栅的1.31倍;正向压力灵敏度为7.289 nm/MPa,x正向和x负向剪切力灵敏度分别为0.060 2和0.063 6 nm/N;由滑觉传感特征信号可以获取物体的滑移信息。该传感器有望表贴或埋置于仿生手内部,对实现仿生手触滑觉信息感知具有一定的应用价值。     

基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究

针对目前多维力传感器难以同时兼顾电磁干扰、接线复杂、维间耦合较大及灵敏度较低的问题,设计了一种基于光纤布拉格光栅的二维力传感器。首先,基于光纤布拉格光栅传感理论和简支梁弯曲变形理论,设计了十字横梁结构的传感器弹性体,并揭示光纤光栅传感器波长漂移量与力的映射关系;其次,采用有限元分析方法研究弹性体的应变分布特性,确定光纤布拉格光栅最佳封装位置;最后,搭建了实验标定平台,对传感器的灵敏度、线性度、维间耦合误差以及重复性误差进行实验研究。实验结果表明,该传感器x、y方向的波长灵敏度分别约为7.464、7.520 pm/N,线性度分别约为3%、2%,维间耦合误差分别约为1.01%、0.218%,重复性误差分别约为4.898%、5.828%。该传感器可应用于机器人腕部二维力测量,对提高机器人关节的高精度控制反馈具有重要意义。     

光纤光栅压力传感器实验研究

文中提出了一种新颖的光纤布拉格光栅压力传感器,它是利用光纤布拉格光栅(FBG)对应变的传感特性,将光纤布拉格光栅粘贴于C型压力弹簧管上的特定位置,通过光纤布拉格光栅反射波长的变化,来实现对压力的测量。该传感器灵敏度的实验值和理论值分别为0.671nm/MPa和0.791nm/MPa,且具有很好的线性度,迟滞很小,有一定的发展前景。     

用于假手指尖的光纤光栅触觉力传感器研究

针对现有假手触觉测量常用的薄膜压力传感器精度不佳、线性度差、迟滞性高等问题,研究了一种可安装于假手指尖的光纤布拉格光栅触觉力传感器。首先,通过传感单元的微小化结构设计,可以将施加的外力转化为光纤承受的轴向力;进而,通过有限元对传感器结构参数进行优化,提高了光纤光栅对于压力的灵敏度;然后,围绕假手指尖应用的需求,制作了这种光纤布拉格光栅触觉力传感器;最后,对该传感器进行了性能标定、对比分析和应用抓取3个实验分析,实验结果表明:该传感器压力灵敏度为0.103 8 nm/N,线性度R~2为0.998,重复性误差为1.32%和迟滞性误差为2.19%;与现有的薄膜压力传感器对比,该传感器的线性度和重复度都更高,迟滞性更低。     

分体插接式光纤光栅应变片

光纤光栅应变片是一种新型的光纤光栅应力传感预制结构,它把布拉格光栅封装在光连接器内部以实现分体插接式结构,从而保证光纤光栅应变片在具有布拉格光栅体小质轻等优点的同时,还具有类似于光连接器的使用便利性,从而解决了光纤光栅传感器使用复杂,不宜用作二次变换元件的缺陷,扩大了光纤光栅传感器的使用范围.实验表明:光纤光栅应变片具有良好的线性输出和测量灵敏度,而且热输出小,是一种适合工程测试人员使用的通用型光纤光栅应力传感器.     

基于径向基函数神经网络的压电式六维力传感器解耦算法

针对四点支撑结构的压电式六维力传感器线性度差,维间耦合严重的问题,提出了基于径向基函数(RBF)神经网络的解耦算法。分析了耦合产生的主要原因,建立了RBF神经网络模型。通过对六维力传感器进行标定实验获取解耦所需的实验数据,并对实验数据进行处理。然后采用RBF神经网络优化传感器输出系统的多维非线性解耦算法,解耦出传感器的输入输出映射关系,得到解耦后的传感器输出数据。对传感器解耦后的数据分析表明:采用RBF神经网络的解耦算法得到的最大Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.29%、1.56%。结果显示:采用RBF神经网络的解耦算法,能够更加有效地减小传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差,满足了传感器两类误差指标均低于2%的要求。该算法有效地提高了传感器的测量精度,基本解决了传感器解耦困难的难题,     

用于扑翼飞行器气动力测试的三维力传感器研究与实验

气动力测试对验证扑翼飞行器的设计方法和优化改进飞行器重要系统特征参数起着重要的作用。 介绍了一种新研制 的结构简单、低成本、高性能的三维力传感器,用于扑翼机气动力测试系统,重点介绍了三维力传感器的设计和标定方法。 首 先,通过弹性机构的微变运动学建模验证了结构设计的可行性;然后,对传感器进行解耦标定实验,得到传感器的非线性误差小 于 1. 19% ,耦合误差小于 3. 21% ,灵敏度大于 1. 1 V/ N;最后,通过对一款小型扑翼飞行器的气动力进行测试,获得了扑翼机主 翼气动力随影响参数变化的定量评价数据,为扑翼机实现室内和室外的机动灵巧飞行,提供了有效帮助。     

机械解耦自标定并联六维力传感器设计及仿真

针对传统多维力传感器研制后均需繁冗的加载标定这一现状,提出了多维力传感器“自标定”设计理念,通过钢球滚动机械解耦,设计了一种弱耦合全压向力自标定正交并联六维力传感器结构。论证了该六维力传感器的滚动解耦原理,分析了其自标定原理。基于螺旋理论建立了该六维力传感器理想数学模型,计算得到其一阶静力影响系数矩阵。考虑分支弹性变形,基于高次超静定结构力学求解原理,对该六维力传感器进行了受力分析与仿真计算,结合数值算例论证了其自标定特性,从而为该新型六维力传感器的研制奠定基础。     

基于SSA算法优化SVM的发动机润滑油信息状态评估

润滑油信息能够有效反映装甲车辆发动机的健康状态,对车辆发动机状态评估十分重要。以某型装甲车辆发动机为研究对象,提出一种基于麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm, SSA)优化支持向量机(Support Vector Machine, SVM)的发动机状态评估算法。该算法首先对润滑油原始数据进行去噪及归一化处理,然后使用麻雀搜索算法优化支持向量机的核参数与惩罚参数,最后利用寻优后的参数建立评估模型。实验结果表明,采用麻雀搜索算法优化的支持向量机分类准确率高达96.67%,能够有效对发动机状态进行评估,为装甲车辆发动机的换油以及维修提供依据。     

基于IQPSO优化ELM的熟料质量指标软测量研究

水泥熟料游离氧化钙(f Ca O)含量是水泥生产过程的重要质量指标。针对难以建立其精确的数学模型和难以实时在线测量的问题,首先采用序列二次规划方法增强量子粒子群算法的局部搜索能力,提出了一种局部区域可调的改进量子粒子群优化(IQPSO)算法,并采用提出的IQPSO算法优化超限学习机(ELM)的输入层权值和隐层阈值参数,在优化过程中同时兼顾均方根误差和隐层输出矩阵条件数最小的原则,建立了基于IQPSO优化ELM的水泥熟料f Ca O软测量模型,仿真验证结果表明,IQPSO算法具有较高的搜索精度以及较快的收敛速度,建立的软测量模型精度高、泛化能力强。最后基于该模型,通过软件编程的方法给出了水泥熟料质量指标软测量仪表,实现了f Ca O含量的在线软测量。     

面向运动力学测量的无线六维力传感器

针对目前六维力传感器普遍存在的体积偏大、操作繁琐、应用场景复杂的问题,设计了一种基于电阻应变原理的小型化无线六维力传感器。首先,基于十字横梁结构设计传感器的弹性体,并通过ANSYS软件进行结构静力学分析,确定了传感器的最优结构尺寸;其次,基于传感器小型化和无线传输的设计要求,设计了传感器的内部硬件电路,包括四等臂全桥电路、两级放大电路以及数据采集与传输电路,有效减小了传感器的体积,增强了灵活性;最后,设计并优化了静态标定方法及静态解耦算法,降低了传感器的维间耦合干扰,提高了测量精度。实验结果表明,该传感器室内无线传输距离达到8 m,传输速率满足中低频力信号测量,Ⅰ类与Ⅱ类误差均满足在高精度要求场合的使用。     

自标定重载并联四维测力台测量机理与标定试验

面向航空航天领域对重载大测力面积多维测力台研发的迫切需要,为克服现有多维力传感器研制后均需繁冗的加载标定,采用提出的多维力传感器“自标定”设计理念,通过构建机械解耦测力分支并辅以并联正交分布结构,提出一种新型弱耦合自标定重载并联正交四维测力台构型。基于滚动摩阻理论分析与论证其解耦测量机理与自标定原理。在此基础上,设计并研制了该自标定重载并联四维测力台及其标定加载系统,标定试验结果表明,该四维测力台最大测量误差为0.62%,最大耦合误差为0.56%,论证了其解耦及自标定特性,从而为该自标定重载并联四维测力台的实际应用奠定基础,也为研制大量程重载并联多维力传感器提供了新思路。     

大量程柔性铰六维力传感器静态解耦的研究

为提高大量程六维力传感器的测量精度,提出了一种新型的六维力传感器非线性静态解耦方法,该方法结合混合递阶遗传算法和小波神经网络的优点,采用递阶遗传算法与最小二乘法分别对小波神经网络隐层结构参数以及输出层权值进行优化,再将优化后的小波神经网络模型用于六维力传感器非线性解耦.建立了基于混合递阶遗传算法和优化小波神经网络的六维力传感器非线性解耦模型,设计了基于混合递阶遗传算法的小波神经网络结构及参数优化算法,给出了六维力传感器非线性解耦的具体实现流程.以最新研制的6-UPUR大量程柔性铰六维力传感器为对象进行实验,结果表明,采用该方法六维力传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.25％和2.59％,比采用BP和RBF神经网络方法的测量精度高.     

基于神经网络的多维力传感器静态解耦的研究

提出了基于人工神经网络进行多维力传感器静态解耦的方法。维间耦合是制约多维力传感器测量精度的主要因素，为克服传统线性解耦方法的局限性，利用BP神经网络的强非线性逼近能力研究了多维力传感器的非线性静态解耦。以研制的微型5维指尖力／力矩传感器为对象进行了解耦实验，结果表明，与基于最小二乘的线性解耦方法相比，提高了解耦精度。     

Coupling Characteristics and Control of Dual Mechanical Port Machine with Spoke Type Permanent Magnet Arrangement

Dual mechanical port machine（DMPM）, as a novel electromechanical energy conversion device, has attracted widespread attention. DMPM with spoke type permanent magnet arrangements（STPM-DMPM）, which is one of several types of DMPM, has been of interest recently. The unique coupling characteristics of STPM-DMPM are beneficial to improving system performance, but these same characteristics increase the difficulties of control. Now there has been little research about the control of STPM-DMPM, and this has hindered its practical application. Based on a mathematical model of STPM-DMPM, the coupling characteristics and the merits and demerits of such devices are analyzed as applied to a hybrid system. The control strategies for improving the disadvantages and for utilizing the advantage of coupling are researched. In order to weaken the interaction effect of torque outputs in the inner motor and the outer motor that results from coupling in STPM-DMPM, a decoupling control method based on equivalent current control is proposed, and independent torque control for the inner motor and outer motor is achieved. In order to solve address the problem of adequately utilization of coupling, minimizing the overall copper loss of the inner motor and the outer motor of STPM-DMPM is taken as the optimization objective for optimal control, and the purpose of utilizing the coupling adequately and reasonably is achieved. The verification tests of the proposed decoupling control and optimal control strategies are carried out on a prototype STPM-DMPM, and the experimental results show that the interaction effect of torque outputs in the inner motor and the outer motor can be markedly weakened through use of the control method. The overall copper loss of the inner motor and the outer motor can be markedly reduced through use of the optimal control method, while the power output remains unchanged. A breakthrough in the control problem of STPM-DMPM is accomplished by combining the control methods. Good performance in the control of ST