1 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
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
针对多芯光纤三维位型重构问题,提出了一种基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构方法。分析了基于螺旋多芯光纤和Bishop标架的三维位形重构算法原理,实验采用了螺旋多芯光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gating,FBG)阵列传感,通过光谱漂移计算各个纤芯的应变值,并根据节点截面应变关系模型实现了纤芯曲率和扭转角解算,最后,结合Bishop迭代计算得到光纤整体位形,实现了形状重构。进行了4种形状的重构实验,最大三维重构绝对误差为3.11mm。实验结果表明,基于Bishop-HMCF的形状重构方法能够实现三维位形重构,在柔性机构末端定位和导航上具有重要的研究意义与应用价值。
Bishop标架 螺旋多芯光纤(HMCF) 光纤布拉格光栅(FBG) 位形重构 bishop frame helical multi-core fiber (HMCF) fiber bragg grating (FBG) 3D reconstruction
1 北京信息科技大学 光电测试技术与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
3 天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
遥感卫星结构在轨服役期间易受空间极端温度变化与微重力环境影响容易产生热应变，严重影响探测精度，而现有方法难以实现热应变在轨监测。针对这一问题，提出具有温度解耦功能的热应变光纤光栅监测方法。采用数值模拟方法开展结构热应变计算分析，得到结构整体和局部热加载下温度场和应变场分布特征及变化规律。设计构建热应变光纤监测试验系统，对卫星天线结构模拟试件进行热加载光纤测量试验，测试分析热应变光纤监测精度，验证了方法的有效性。研究结果表明，在−120~120 ℃温度变化范围，利用光纤布拉格光栅传感器和温度解耦方法监测温度和热应变的相对误差分别为1.02%和2.45%；在30~100 ℃局部热加载作用下，结构温度场和应变场的重构误差分别为3.24%和6.61%。该方法在卫星结构在轨监测领域中具有良好的应用价值与前景。
遥感卫星 在轨监测 光纤传感 热应变 热控制 remote sensing satellite in-orbit monitoring optical fiber sensing thermal strain thermal control 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220202
1 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
2 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
3 天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
为提高柔性机构三维位形参数光纤测量精度，提出了基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法。通过引入方向角和曲率校正系数，改进了柔性三维形变多芯光纤重构算法；利用准分子激光器和相位掩膜法制备了多芯光纤光栅传感阵列，建立了多芯光纤三维形状重构实验系统；实验测量了不同曲率比例因子下的形状重构误差，分析了曲率与角度校正前后形状重构误差；通过对应变进行了三次样条插值，并对方向角和曲率进行了校正，得到了形状重构误差平均值为0.74 mm、最大值为1.64 mm；利用校正后的多芯光纤传感系统进行三维螺旋形变重构实验，得出重构精度提高了10.2%。研究结果表明，基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法具有更高精度，在柔性机构三维位形实时监测中具有应用前景。
形状重构 柔性机构 光纤布拉格光栅 多芯光纤 shape reconstruction flexible mechanism fiber Bragg grating (FBG) multi-core fiber 红外与激光工程
2021, 50(5): 20200453
1 北京信息科技大学 先进光电子器件与系统创新引智基地, 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
为了在测量NaCl溶液浓度的同时实现对温度的监测, 提出了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)级联法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer, FPI)的干涉型传感器。在单模光纤上通过熔融放电制作出一对腰锥直径155 ?滋m、间隔1.5 cm的MZI, 其对比度为10 dB、周期29.85 nm; 在MZI尾纤的一端与光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)相对熔接并在距熔接点176 ?滋m处将PCF切平, 形成对比度为8 dB、周期为5.71 nm的FPI。实验选取1 535~1 555 nm波段MZI和FPI的干涉波谷特征波长, 在0~150 ℃的温度和0%~24%的NaCl溶液浓度变化范围内测得MZI的温度和折射率灵敏度分别为50 pm/℃和9.97 nm/RIU, 线性度均大于0.97; 而FPI的波谷特征波长对折射率不敏感, 温度灵敏度约为8.3 pm/℃, 线性度为0.98。最后, 通过构建温度-浓度函数关系矩阵得出了对温度和NaCl溶液浓度的灵敏度矩阵。该干涉型传感器对温度和NaCl溶液浓度表现出良好的灵敏度和线性度, 可实现上述双参数的同时测量。
光纤干涉型传感器 马赫-曾德干涉仪 法布里-珀罗干涉仪 温度-NaCl溶液浓度 光子晶体光纤 optical fiber interferometric sensor Mach-Zehnder interferometer Fabry-Perot interferometer temperature-NaCl solution concentration photonic crystal fiber 红外与激光工程
2019, 48(7): 0717004
