细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用, 如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等, 其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度, 本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面, 形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型, 推导出相应的平均应变传递率公式; 分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明, 封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加, 黏结层外径的增加对其影响不大, 验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中, 改进了FBG形状传感器的形状重建算法, 末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件, 其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度, 需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析, 得到结构受力变形的理论关系式, 可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性; 基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化; 利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明: Y向调整机构优化后, 靶准直器静态Y向变形由原来的7.9 μm减小至小于2 μm, 动态稳定性满足系统2 μm/2 h的稳定性要求。同时, 试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致, 验证了理论和仿真分析的正确性。

通过构建肢体运动模型,运用C空间到关节空间映射理论得到关节空间中的运动参数(角位移/肢体长度)。基于光学运动捕捉仪采集步态运动实时序列,运用最小二乘法拟合关节点计算肢体长度,然后分析点坐标误差和关节长度误差对角位移的影响。结果显示,通过最小二乘拟合法计算得到的肢体长度误差小于0.5 mm,尺寸误差在0.3%以内,点误差和肢体长度误差引起的角位移误差在1.5%以内。此方法稳定可靠且精度高。

以设计结构紧凑、工作空间大的力/触觉反馈器为目标, 研究了Delta并联机构的运动学和工作空间特性。在改进Delta机构的基础上, 引入支链机构的偏置安装角度α, 利用矢量法求解了机构的位置逆解和正解, 并通过算例验证了方程求解正、逆解的正确性; 根据逆解公式推导出单开链子空间包络体边界方程, 绘制分析了驱动杆与摆动杆长短不同时3种情况下的子空间几何形状。然后,详细讨论了α对整体工作空间和机构总体外围尺寸的影响, 采用数值法得出了偏置安装角度α与工作空间最大内切球体体积的关系图、偏置角度与整体外围尺寸的关系图, 并利用matlab绘制出整体空间截面图。最后, 以上述最大内切球体为设计空间,结合雅克比矩阵条件数给出设计实例。验证结果表明, 采用该设计方法能够满足对Delta机构的优化设计要求。

用光纤光栅(FBG)设计了曲面传感阵列,利用了空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器的数目根据检测仪器的最大解调范围确定;传感器的位置分布由振动波传播理论确定。综合考虑曲面应力状况和变形特点,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,实现了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测试。实验表明,传感网络中传感器波长改变与曲面变形位移具有良好的线性关系,传感网络中传感器位置合理,传感网络能够检测帆板曲面样机的多种变形。传感器封装长度保持40 mm时,传感器测试误差仅为0.4%,柔性曲面测试误差<4%。

将位置敏感器件(PSD)和其它元器件相组合,组成了介入式测量装置。通过使测量装置沿管道行进,获得管道内若干个测量点的方位,进而拟合得到地下管线的方位。该探测装置不受地下管线埋藏深度、密集程度和周围环境的影响,适用于内径为80～130 mm、弯曲半径为50～1 000 m的管线。通过探测摆角的实例,得出实际测量值在水平方向上的测量误差为7.45%,竖直方向上的测量误差为1.07%。

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.

为全自动智能内窥镜系统研究设计了一套试验平台,该试验平台为不同时期的智能内窥镜系统试验提供了3种不同的方案:硬管模型、软管模型和动物肠道模型.经测试,该试验平台能很好地验证系统的各项功能,提供系统所需的数据,为系统实用化提供有力的支持.

非开挖地下信息管线检测技术是检测非开挖铺设的地下信息管线的新技术.本项研究主要是基于光纤光栅传感器对离散点的曲率数据进行采集,进而利用空间形状曲线拟合进行曲线重建,最终绘制出管线位置形状图.在概述此研究的基本理论基础上,对部分关键技术进行了分析.

面形结构大变形的智能检测对太阳能帆板及其他面形结构的振动测试与振动抑制有重要意义.论述了该系统的整体概念、模块构成及需要实现的功能,讨论了研究涉及的振动激励、传感网络、曲面重建及可视化等关键技术.此外,简单介绍了实验振动台的结构设计.