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。

针对纤芯包层复合结构光纤布拉格光栅(FBG)制备难度较大的问题, 文章首先分析了复合结构FBG的结构特征, 然后从光纤耦合模理论出发, 利用Rsoft结合Matlab软件分别模拟了单独存在的纤芯、包层光栅以及复合结构光栅的反射光谱, 并且通过改变光栅周期、栅区长度以及调制深度, 对复合结构FBG的反射光谱特性进行了仿真分析。仿真结果表明, 光栅周期为541 nm并固定其他参数时, 单独的纤芯与包层光栅中心反射波长分别为1 563.4和1 558.0 nm, 复合结构光栅获得了具有相同中心波长的双峰反射光谱; 复合结构光栅的光栅周期、光栅长度和调制深度会对反射谱的中心波长、强度与半高宽度造成规律性的影响。研究结果可以给光栅刻写与应用提供参考与理论支撑。关键词:

针对传统位移传感器测量精度低、量程小和稳定性不足的问题，文章提出并实现了一种基于变栅距光栅的位移传感器，进行位移特性测试并重点分析了测量过程中的误差问题。实验中将变栅距光栅置于电动位移平台上，通过调节平台位移控制光斑入射位置，建立光栅位移与反射光谱一级衍射中心波长之间的相关关系，实现波长对位移的编码。平台移动范围为0~20 mm，步长为2 mm，往返重复测量6次，记录各位移点处的中心波长，标定传感器的位移特性。针对各位移点重复测量产生的中心波长数据进行误差分析，采用贝塞尔公式结合别捷尔斯法分析各点多次测量数据的标准差，并结合莱以特（3σ）准则进一步判定数据的可靠性。实验结果表明，该传感系统无系统误差和粗大误差；波长与位移呈线性变化，多次重复线性度优于0.994 6，传感器全量程平均位移灵敏度为16.67 nm/mm，为基于变栅距光栅位移传感系统的研究提供了一定的参考。

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。

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。

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。

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。

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。

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。