浙江大学 信息与电子工程学院, 浙江省先进微纳电子器件与智能系统重点实验室, 浙江 杭州310027
声表面波(SAW）器件广泛应用于极端环境传感, 硅酸镓镧(LGS）是常用高温压电晶体, 但高温下应变胶因结合力导致应变传递效果不佳。该文研究了高温环境下应变传感的过渡层薄膜技术, 提出了一种新的过渡层薄膜解决方案及其工艺技术, 可实现高温应变胶水传递应变更稳定的效果。结果表明, 采用溅射Al再氧化可显著提升LGS与高温胶的结合力, 从而实现很好的应变传递, 使用这种过渡层实现了500 ℃下超大量程(1 000 με）测量。
高温应用 高温应变测量 应变传递 压电晶体 声表面波(SAW) high temperature applications high temperature strain measurement strain transfer piezoelectric crystals surface acoustic waves(SAW)
1 武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205
2 中国特种设备检测研究院，北京 100029
光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器的应变传递影响因素决定了其在监测结构应变时的准确性。为了研究FBG应变传感器的应变传递影响因素，建立了传感器应变传递力学模型，并进行应变传递的理论推导，得到该传感器的应变传递率。为了保证计算正确，对传感器的特殊结构进行了有限元仿真计算。此外，还分析了传感器的应变传递影响因素及其影响效果，并用有限元仿真对不同的影响因素进行了计算，验证了理论推导的准确性。
光纤光学 应变传递 影响因素 有限元仿真 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0506006
1 安徽省高校电力电子与运动控制重点实验室（安徽工业大学），安徽 马鞍山 243000
2 安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243000
3 山东华宁矿业集团有限公司，山东 泰安 271400
针对强电磁干扰环境下，压电、光电类脉搏波传感器易受干扰的缺点，提出一种柔性材料封装的光纤布拉格光栅脉搏波传感器，用于测量人体桡动脉脉搏信号。首先使用comsol有限元仿真软件，探究最优的封装厚度和光纤在基材中的位置。根据仿真结果，结合应变传递效果和传感器的灵活性，优化选择传感器厚度为5 mm，光纤封装在距离基体下表面1 mm处。以此制作了柔性光纤布拉格光栅脉搏波传感器，对十名测试者的人体桡动脉脉搏进行采集，采用改进的阈值小波方法去噪，去噪后的信号能很好的保留脉搏波信号的特征点，信噪比均达到了40以上，且峰值点、潮波点和重搏波点识别率分别达到100%，100%和90%。本文设计的柔性基体FBG脉搏波传感器能有效获取及识别脉搏波信号，为进一步的应用提供了理论基础及应用支撑。
光纤布拉格光栅 应变传递 脉搏波 小波去噪 Fibre Bragg grating Strain transfer Pulse wave Wavelet denoising 光子学报
2021, 50(12): 1206002
苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215000
分析了光纤传感器应变传递率的影响因素，进行了粘贴式光纤传感器等强度梁试验。光纤传感器监测结构材料中应变分布的能力取决于材料与光纤之间的键合特性。取粘贴长度和胶体剪切模量两个参数，研究了分布式光纤传感器应变传递的顶端效应。结果表明：延长粘贴的光纤长度或提高胶体的剪切模量，可以使高应变传递段加长。工程应用中应选用剪切模量高的胶黏剂，粘贴长度应在粘贴测量段两端多粘贴5 cm，以保证测量段可以得到相对精确的应变结果。
光纤光学 光纤测量 光纤传感器 瑞利散射 光频域反射技术 应变传递率 等强度梁 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1906005
红外与激光工程
2021, 50(5): 20200315
1 安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243000
2 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016
3 金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，南京 211169
为了研究光纤布拉格光栅柔性传感器与封装材料界面间的相对滑移引致的应变误差是否可以忽略，采用ANSYS有限件元仿真软，分析了滑移引起的纤芯各点轴向应变的相对误差与正向压力关系，通过分析影响传感器结构的敏感性参数包括纤芯材料、涂覆层材料、封装材料与尺寸，探讨相对滑移对光纤布拉格光栅轴向应变相对误差的影响.研究结果表明，正向压力在［0.1 N，10 N］范围时，纤芯各点轴向应变相对误差随着正向压力的增大而减小，且呈现纤芯小两端大的趋势.实际应用中应结合正向压力大小，选取弹性模量较小的纤芯材料和摩擦系数较大的封装材料，可使轴向应变相对误差小于10%；选择涂覆层弹性模量为2.4×1010 Pa，厚度为0.062 5 mm，可使轴向应变相对误差降低到8.57%；当光纤布拉格光栅半埋入长度大于40 mm时，纤芯的轴向应变相对误差总体低于20%，此时可认为涂覆层与硅胶之间为完全粘结，无相对滑移.
光纤布拉格光栅 应变传递 ANSYS有限元 相对滑移 相对误差 Fiber Bragg grating Strain transmission ANSYS finite element simulation Relative slip Relative error 光子学报
2020, 49(10): 1006001
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 光电工程系， 北京 100191
为提高光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的形状重建精度，减小光栅点的重建位置误差，设计了一种FBG传感元件结构。通过建立传感元件应变传递力学模型，推导出平均应变传递率表达式，并结合传感元件有限元仿真模型，分析了相关结构参数对传感元件应变传递率的影响，将有限元仿真与理论计算结果进行对比，验证了理论模型的有效性。进而分析了应变传递率对传感系统形状重建精度的影响，得出当光栅点应变传递率保持在90%以上时，光栅点的重建位置误差将保持在0.08mm内。该研究表明，通过合理控制影响参数，可有效提高传感元件应变传递效率，减小传感系统形状重建位置误差，从而提高光纤形状传感器的形状重建定位精度。
光纤传感 光纤光栅 应变传递 位置误差 形状重建精度 optical fiber sensing fiber grating strain transfer position error shape reconstruction accuracy
1 武汉科技大学 冶金装备及其控制教育部重点实验室, 湖北 武汉 430081
2 武汉科技大学 机械传动与制造工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430081
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。
光纤布拉格光栅 刚-柔应变耦合 应变传递差异 软体机器人 形状测量 Fiber Bragg Grating(FBG) rigid-flexible strain coupling difference of strain transfer soft robot shape measurement
1 天津大学机械工程学院力学系, 天津 300354
2 天津市非线性动力学与控制重点实验室, 天津 300354
表贴式光纤布拉格光栅传感器包括光纤、中间层、基体三部分,通过分析胶体与光纤的弹性模量比,探究胶体的弹性模量、泊松比、长度等因素对基体到光纤平均应变传递率的影响。实验结果表明,与未考虑弹性模量比时的平均应变传递率相比,考虑弹性模量比时,平均应变传递率随胶体弹性模量、长度的增加而增加,随胶体厚度、泊松比的增加而减小,随胶体宽度的增加先增加后减小,研究结果更符合实际应用情况。
光纤光学 表贴式传感器 弹性模量比 平均应变传递率 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 210606
