介绍了一种基于单模光纤侧边粗抛磨增敏技术的光纤曲率传感系统,采用脉冲自参考信号解调技术对增敏区的透过率进行高精度测量。通过悬臂梁曲率测量实验,测定传感器敏感区的线性响应系数是0.593,系统测量噪声幅度为5.9×10 -5,经过悬臂梁位移与曲率换算,可知该系统的曲率分辨率可达9.95×10 -5 m -1。该系统具有结构简单、响应带宽宽和可实现时分复用等优点。

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题, 提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型, 理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置, 实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征, 得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系, 计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值, 重构出软体气动驱动器的变形形状, 验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明：将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层, 利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感, 3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1 %。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。

提出了一种基于单模-保偏-单模(SPS)结构的高灵敏度曲率光纤传感器,该传感器将保偏光纤(PMF)的两端熔接在两段单模光纤之间。研究了传感器的曲率传感性能,以及保偏光纤的长度对传感器曲率灵敏度的影响。结果表明,随着曲率的增大,传感器输出光谱出现明显红移现象;保偏光纤长度对传感器的曲率灵敏度有重要的影响,当保偏光纤长度为11 cm,曲率为0.43~1.37 m ^-1时,获得最大灵敏度为59.849 nm/m ^-1的传感器。与其他光纤结构的传感器相比,该传感器具有结构简单、易于制造、灵敏度高等优点,可用于结构健康监测传感领域。

研究了一种基于错位和花生形结构的全光纤马赫-曾德干涉仪, 进行了液位和曲率的测量实验, 利用错位结构将纤芯模式激发到包层, 包层模式经过花生形结构被耦合到纤芯与原有的纤芯模式发生干涉。 包层模式对外界物理量如折射率、 应力的变化敏感, 导致透射光谱漂移。 波谷波长的漂移量与液位和曲率的变化成线性关系, 利用波谷的漂移实现液位和曲率的测量。 在液位实验中, 在水位变化范围为1.00～5.00 cm时, 波谷向短波方向漂移, 灵敏度最高为-0.68 nm·cm-1, 线性拟合度为0.995 4。 在曲率实验中, 曲率的变化范围为0.3～1.2 m-1时, 波谷向长波方向漂移, 灵敏度最高为22.47 nm·m, 线性拟合度为0.986 4, 表现出较高的灵敏度。 错位结构和花生形结构被用于组成马赫-曾德干涉仪, 用普通的光纤熔接机和普通单模光纤即可熔接, 结构和制作方法简单, 灵敏度高, 尤其在曲率的测量中表现出较高的灵敏度。

为了实现球轴承中球体在制造加工中快速准确的测量, 采用白光干涉技术、图像处理技术和信号处理技术组建了一整套的基于迈克尔逊干涉仪的测量系统。对白光干涉技术进行了理论分析, 对轴承球体进行了光学球面半径的高精度测量和粗糙度测量, 取得了光洁度图像和曲率半径图像。在大量实验论证的基础上经过处理和计算得到了精确的计算数据, 光洁度分辨率可达到纳米量级, 曲率也可以计算到微米量级。结果表明, 利用此技术可以对球面进行快速精确的测量, 提高了加工质量和检测速度。

提出了一种新的基于薄芯光纤模态干涉技术的光纤曲率传感器。在单模光纤的中间部分插入薄芯光纤用于传感光路, 没有插入薄芯光纤的单模光纤用于参考光路, 以消除环境对曲率测量的影响。由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配, 导致包层的高次模被激发, 并与纤芯模在单模光纤内形成干涉。当改变薄芯光纤的曲率时, 沿纤芯和包层传播的模态和光纤长度会发生改变, 使得干涉谷峰发生平移。将传感光纤的两端固定的平移台上, 当调节平移台距离时, 薄芯光纤的曲率发生改变, 导致干涉谷峰向短波方向平移。通过观察谷峰的平移距离可以实现曲率的传感测量。实验表明, 该装置具有低损耗、低成本和高灵敏度的特点。

为了实现对弯曲结构的三维空间数据的测量与重建，建立了光纤曲率传感器的准分布式测量系统。对该系统中传感器的布置方式、空间弯曲曲率和扭转角的测量及三维结构重建方法进行了研究。首先，将光纤曲率传感器绕成环形，布置在柔性基底的两个对称表面，组成准分布式测量系统。根据线性叠加原理，同时测量出结构的弯曲和扭转变形。使用光纤曲率传感器提供的弯曲和扭转信息，采用微分几何的方法，建立由曲线切线和曲率确定的运动坐标系，在运动坐标系中根据空间结构的扭转角确定密切平面。然后，在密切平面中进行曲线的弯曲计算和运动坐标系的变换分析，并进行拟合过程的公式推导。最后，对该方法进行了试算验证，并利用准分布式测量系统对两支点间距为500 mm的简支梁进行了结构重建。结果显示，在相邻两检测点进行20点插值时，简支梁曲线的最大偏差为1.1 mm，表明设计的系统和重建方法能够较高精度地实现曲面结构的三维重建。

提出了一种基于显微干涉和有限差分法在微悬臂梁上实现曲率精确测量的方法.该方法将使用相移显微干涉法测得的微悬臂梁表面弯曲信息与用有限差分法解析的弯曲量进行对比,再运用拟牛顿算法或最小二乘法得到曲率的最佳匹配值.实验结果表明:使用该方法可获得弯曲量测量值和解析值之间的均方根差值在1.5 nm以内的精确曲率值,并且一定的像素偏移带来的误差对曲率测量的结果影响很小.由于方法保留了光学干涉法高分辨率及高精度等优点,并考虑了非理想边界条件的影响,在MEMS残余应力和应力梯度测量中具有较大实用价值.

开发了适于测量空间微细管道局部几何性质的传感器及其检测系统.在管道机器人潜入式检测过程中曲率传感器可适应管道的几何形状发生弯曲,同时内部的光路也将发生变化.根据激光束在PSD光敏面上的照射位置和传感器结构参数,确定管道曲率传感器上设立的活动标架沿轴线的转动速率,得到两个相邻活动标架之间的位置关系.结合初始活动标架方位、传感器结构,运用递推算法计算管道中心线局部几何性质参数.实验结果表明,测量相对误差小于4%,适合测量φ10～φ13mm、曲率半径大于100mm的管道几何性质.