为了研究光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)在感知形状变形时, 低杨氏模量的柔性材料与高杨氏模量的刚性二氧化硅的结合是否存在刚-柔应变耦合引起的蠕变、应变传递差异等实际问题。采用软体机器人常用的硅胶和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)材料, 制备了4个不同杨氏模量的软体基体, 在每个软体基体内植入了3个FBG, 形成4个具备形状测量能力的柔性传感器, 并进行弯曲测试, 然后建立应变传递模型验证了实验结果与理论推导的一致性。结果表明: 软体基体和FBG结合时存在刚-柔耦合引起的蠕滑问题, 约30 min后趋于耦合稳定。其次, 4个柔性传感器内的3支FBG耦合稳定后的波长漂移量均表现出较好的线性和一致性。此外, FBG与基体的刚-柔性差异越大, 耦合蠕滑越严重, 应变传递引起的波长漂移量越小。其中, 最大应变传递率为0.680, 最小应变传递率为0.260, 最大灵敏度为56.649, 最小灵敏度为35.668。研究结果为基于植入式光纤光栅的软体机器人形状测量技术的研究提供了科学参考。

光纤光栅的粘贴封装工艺对传感器的性能有重要影响。目前光纤光栅传感器设计中最常用的两种封装方式分别是将光栅全部粘贴后进行封装以及将光栅预拉伸后对光栅两端进行粘贴封装。在这两种封装方式下,对光纤光栅的测量灵敏度、线性、重复性、蠕变、温度补偿等决定传感器核心性能的参数开展了实验研究。每种封装方式下,均将3支参数相同的光纤光栅布置在同一等强度梁上,并布置1支自由状态的裸光栅作为温度参考,开展应变感测特性和温度补偿特性方面的对比实验。实验结果表明,两种封装方式下的6支光纤光栅在灵敏度、线性、重复性方面均具备良好的一致性及抗蠕变能力;温度补偿测试中,同种封装方式的光栅自差分补偿的效果明显优于参考裸栅的差分补偿结果;光栅两点粘贴封装方式的自差分补偿效果最好,达到9 pm以内,优于光栅全部粘贴封装的结果(小于20 pm);光栅两端粘贴封装与参考裸栅差分补偿的效果最差,最大达53 pm。

基于压电陶瓷(PZT)的逆压电效应实现了光波的移频,测量了不同电压幅值大小和驱动频率时PZT的移频特性。通过控制PZT的微位移驱动,使得光波的光程发生线性变化,从而改变光波的频率。通过光外差检测光路,检测了光波的微小频率变化量。结果表明,驱动频率较小时,能产生相对稳定的移频量;当电压一定时,驱动频率越大,移频量的测量值偏离线性值越大。PZT的驱动电压和频率选择在合适的范围,可以提高PZT的移频性能。

为了使用交流永磁同步电机(PMSM)设计高精度光机扫描机构的运动控制器，作者分析了PMSM及其控制器的 数学模型，用SIMULINK对PMSM和控制器进行了建模和仿真。在此模型的指导下，作者搭建出了达到预期性能的物理实验系统。通 过电流环的仿真和实验结果对比证明，基于SIMULINK的PMSM控制器模型仿真结果真实可信，对于设计和调试PMSM运动控制器很有帮助。