红外与激光工程
2022, 51(5): 20200440
1 北京信息科技大学 1. 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
2 2. 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
3 北京信息科技大学 2. 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
针对电机内部实时测温的需求, 设计了一种嵌套结构的管式光纤光栅传感器。该传感器使用陶瓷基片作为内层结构, 以304不锈钢管作为保护外层, 采用飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅作为测温敏感元件。搭建了恒温油浴光纤传感测试系统, 采用循环升降温的方法对其进行了温度特性研究, 结果表明该传感器测温性能良好, 升降温实验的线性相关系数均为0.9999, 在长期的循环实验中波长重复性为±2pm, 迟滞误差小于5pm, 有较高的可靠性, 可用于电机内部的温度监测。
光纤光栅 嵌套结构 线性相关 重复性 迟滞误差 FBG nested structure linear dependence repeatability hysteresis error
1 北京信息科技大学 1. 光电测试技术及仪器教育部重点实验室
2 2. 光纤传感与系统北京实验室
3 北京信息科技大学 2. 光纤传感与系统北京实验室
4 3. 北京市光电测试技术重点实验室, 北京 100192
提出了一种利用CO2激光熔融毛细管端面来制备光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器的方法。F-P结构由普通单模光纤和基于CO2激光熔融毛细管端面制备的硅薄膜组成。文章详细说明了硅薄膜的制造工艺和熔融参数, 并对光纤F-P压力传感器进行了性能测试。实验结果表明: 制备的光纤F-P压力传感器对气压具有良好的灵敏度和线性度, 灵敏度可达到16.37pm/kPa, 线性度为0.998。该光纤F-P压力传感器结构紧凑, 易于生产, 具有在极端恶劣环境下的应用潜力。
光纤F-P CO2激光 毛细管端面 硅薄膜 压力传感器 fiber Fabry-Perot CO2 laser capillary end silicon film pressure sensor
1 北京信息科技大学 1. 北京市光电测试技术重点实验室
2 光电测试技术及仪器教育部重点实验室， 北京 100192
为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量，提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法，螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时，光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法；制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样；搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统；实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下，螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律，并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明：螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°)，软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。
软体操作器 螺旋布设 光纤光栅 形状传感 soft manipulator spiral layout fiber grating shape sensing
1 北京信息科技大学 1. 仪器科学与光电工程学院
2 2. 光纤传感与系统实验室， 北京 100016
针对太空环境下在轨卫星内部次镜座结构的特殊性，为监测其温度状态，设计了一种金属基底的光纤光栅温度传感器来贴合次镜座使用。通过变换固定点距离，结合光纤温度传感原理以及弯曲栅区的应变状态，设计了结构小、质量轻且可同时多位置测量温度的基底结构。实验测试结果表明，该结构温度传感器中三个波段的线性度均达到了0.999，灵敏度分别为10.78，10.81和10.36pm/℃，同一温度下的中心波长波动在±3pm内，受外界应力影响较小，有良好的重复性。
光纤光栅 温度传感器 次镜座 卫星监测 FBG temperature sensor secondary mirror base satellite monitoring
1 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
2 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
为解决微创手术软体机器人的形状实时监测问题,将刻有三个光纤布拉格光栅的单根光纤植入软体操作器中,利用其研究柔性硅胶软体操作器光纤传感和三维形状重构方法。进行了软体操作器的结构设计及模型建立,并对光纤光栅波长漂移量和软体操作器弯曲曲率之间的关系进行了理论分析; 通过实验验证了软体操作器结构设计及其模型建立的有效性,测试了软体操作器不同弯曲状态下三个FBG传感器的反射谱特征及其变化规律; 通过分析三个FBG传感器的中心波长漂移量,利用线性插值算法计算出软体操作器在不同弯曲状态下的曲率等参数,并结合曲线拟合方法实现软体操作器的三维形状重构。实验结果表明：植入式光纤光栅传感方法可以实现硅胶软体手术操作器的三维形状传感,在微创外科手术领域具有广阔的应用前景。
光纤传感 布拉格光栅 软体操作器 模型建立 形状重构 optical sensing fiber bragg grating soft manipulator model establishment shape reconstruction
1 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
针对浮空器囊体形状的实时传感问题, 研究了柔性复合蒙皮形变光纤传感方法。分析了柔性复合蒙皮形状传感原理与算法; 制备了Vectran纤维（聚芳酯纤维）蒙皮试样, 实验研究了柔性蒙皮的曲率变化与光纤光栅曲率传感器中心波长漂移量的关系, 分析了坐标系变换的曲线重构算法在浮空器蒙皮材料应用下的精度。得出FBG曲率传感器中心波长的漂移量随蒙皮材料的曲率半径增大而增大, 形变曲率半径在1～12m-1范围内时, 蒙皮形变传感重构误差小于4mm。研究结果表明: 用光纤光栅传感方法可实现浮空器柔性蒙皮形变的传感和重构, 在浮空器囊体形变监测中具有应用前景。
光纤布拉格光栅 曲率传感器 浮空器 蒙皮材料 曲线重构 FBG curvature sensor aerostat skin material curve reconstruction
北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心, 北京 100192
针对变体飞行器变形机翼气动外形监测需求, 提出一种植入式柔性复合蒙皮形状光纤传感方法。通过将光纤光栅传感器植入硅胶薄层, 并与聚氯乙烯薄片组成复合蒙皮。建立柔性蒙皮形状传感系统, 采用光纤传感解调系统, 实验测得不同翼型下柔性蒙皮中光纤光栅反射谱特征及其变化规律; 计算出柔性蒙皮弯曲曲率, 并重建出柔性蒙皮变形三维形状; 采用数字摄影测量系统完成对比测试。研究结果表明: 柔性复合蒙皮变形光纤传感测量与数字摄影测试误差小于4.62%, 光纤传感灵敏度达到245.5 pm/m-1。验证了植入式光纤传感方法的有效性, 为变体飞行器变形机翼气动外形监测提供了参考。
柔性蒙皮 复合基体 FBG传感 变形重构 flexible skin composite matrix FBG sensing morphing reconstruction 红外与激光工程
2019, 48(6): 0622003
北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心, 北京 100192
面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求, 提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中, 并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合, 形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块, 实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律, 分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明: 硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量, 最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加, 传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性, 可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。
曲率传感器 硅胶基体 PVC基体 FBG传感 测量标定 curvature sensor silicone rubber matrix PVC matrix FBG sensing measuring calibration 红外与激光工程
2019, 48(2): 0222001
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instrument, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100016, China
2 Beijing Key Laboratory of Optoelectronic Measurement Technology, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China
The Letter reports the thermal stability and strain response of Fabry–Perot (FP) cavity under different high temperatures. The FP cavity was made by thermal regeneration of two identical cascaded fiber Bragg gratings (FBGs). It is demonstrated that the FP cavity is capable of measuring temperatures from 300°C to 900°C with a temperature sensitivity of 15.97 pm/°C. The elongation of the fiber was observed through the drifted Bragg wavelength at 700°C or above when weight was loaded. The elongation was further inferred by the slight change in the interference spectra of the FP cavity at 900°C.
060.2370 Fiber optics sensors Chinese Optics Letters
2018, 16(12): 120601
