用于曲面精密检测的新型光纤三角传感器研究

基于光纤传感技术和三角测量方法，提出了一种用于曲面检测的新型光纤三角传感器。根据所设计的轮辐式接收光纤结构，可以在测量曲面与传感头间位移时，首先获取被测点处微面元的倾斜信息，以便对传感器测量值进行实时误差修正，从而解决了被测表面倾斜对坐标测量带来的影响。该传感器还能有效地消除环境光干扰、光源波动、表面反射率变化等对测量带来的影响。建立了传感器测量的数学模型。理论分析和初步的实验结果证明了系统的有效性和实用性。该传感器系统不稳定性好于0.3%，横向分辨率好于8μm，高度分辨率好于0.1μm。     

激光扫描在工件表面检测中的应用方法

为了获取磨削工件表面特征信息，提出一种基于激光扫描的磨削工件表面检测方法。利用机械臂带动激光传感器扫描放置在激光测量平面中的磨削工件，从而获得工件在激光测量平面中的三维坐标信息，通过相邻2个扫描点之间的高度变化求出工件边界点的三维坐标信息，结合x轴和y轴坐标的极值点利用最小二乘法拟合出工件边界在激光测量平面中的解析式，进一步求出附着在工件上的坐标系相对于激光测量坐标系的位姿，最后利用工件在激光测量坐标系中的位置矢量信息得出其表面特征信息。实验结果表明，利用该方法对工件表面进行检测，得到工件表面检测误差为0.11 mm，检测平均时间在1 s内，满足工件表面特征检测要求。     

光纤表面石墨烯修饰新方法及传感应用

石墨烯作为碳纳米材料家族的新成员,具有许多独特的电学和光学性质,并且其对光纤表面的修饰可以提升光纤传感器的性能。传统的石墨烯修饰光纤表面的方法（液相转移法及气相沉积法）成本较高、操作难度大,而且会产生有毒气体。针对这一缺点,提出了一种新的石墨烯修饰光纤表面的方法,可以将分散液中的石墨烯有效提取并修饰于光纤表面,形成稳固的石墨层。实验结果表明,通过该方法修饰的倾斜光纤光栅,其石墨烯层不仅稳固,而且还在一定程度上提升了倾斜光纤光栅的折射率响应特性,灵敏提升了28%。此外,实验证明,修饰石墨烯层的倾斜光纤光栅可结合芘硼酸制成葡萄糖传感器,实现葡萄糖浓度的测量。     

光学元件表面的数字全息检测

针对球形光学元件的表面质量检测,开发了一种基于数字全息的表面曲率参数及疵病的同步检测方法。利用最小二乘法对再现波前进行参数拟合和计算,解决了再现过程中倾斜因子补偿对测量可靠性造成的影响。通过将原始数据与生成的虚拟曲面相减实现了表面疵病信息的同步提取。实验证明,该方法的测量结果与白光干涉仪的测量差异小于1.5%,在不同倾斜因子补偿系数作用下的测量结果误差小于1%。     

镀银空芯光纤表面等离子体共振传感器的研究

提出了一种新型的基于镀银空芯光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器。建立了光学模型对传感器内的光传播进行分析,在理论上推导出了传输光谱公式。制作了不同银膜厚度的空芯光纤SPR传感器,搭建了实验系统对内芯充入不同折射率的液体介质的传感器传输光谱进行了测量,获得了相应的SPR光谱。通过理论计算和实验测量对传感器的灵敏度特性和测量准确性进行了分析讨论。结果表明该传感器是一种灵敏度较高的、能实时检测待测高折射率液体介质的SPR传感器,它在一定范围内能够很好地弥补传统光纤表面等离子体共振传感器的不足,并且开拓了空芯光纤的一个新的应用领域。     

氧化石墨烯集成腐蚀型81°倾斜光栅生物传感器

为了改善普通81°倾斜光纤光栅在生化检测中灵敏度低、检测极限不理想等问题,提出一种基于氧化石墨烯修饰腐蚀型81°倾斜光纤光栅的牛血清蛋白生物传感器,分析了该传感器的原理与传感特性。使用氢氟酸溶液腐蚀减小光栅直径,提高其对折射率的灵敏度,并用氧化石墨烯修饰光栅,然后将牛血清蛋白单克隆抗体固定于光栅表面,用于对牛血清蛋白的特异性检测。实验结果表明,氧化石墨烯集成腐蚀型81°倾斜光纤光栅生物传感器对牛血清蛋白的检测范围为0.15～15nmol/L,检测极限为～0.165nmol/L,其线性响应区域的灵敏度为～182pm/(nmol·L~(-1)),传感器的检测范围较氧化石墨烯集成标准直径81°倾斜光纤光栅有所降低,但其灵敏度提高了5.3倍,且检测极限有较大的改善。     

离子束作用下的光学表面粗糙度演变研究

 为了获得超光滑光学表面,介绍了离子束作用下改善表面粗糙度的抛光方法,并通过相关的实验进行了验证。光学材料是典型的硬脆材料,在加工过程中的表面粗糙度要经历复杂的演变过程。离子束加工作为光学镜面加工中的最后一道工序,如果在修正面形的同时,能够有效地改善表面粗糙度,那么离子束加工的性能就可以得到更好的延伸。分析了离子束作用下的粗糙度演变机理,在此基础上提出了倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术2种改善表面粗糙度的方法,并使用原子力显微镜进行了测量。实验结果表明：以45°倾斜入射抛光熔石英样件,其粗糙度由初始的0.67nm RMS减小到0.38nm RMS;涂上牺牲层的材料表面粗糙度由0.81nm RMS减小到0.28nm RMS,倾斜入射抛光和牺牲层抛光技术能够有效地改善表面粗糙度。     

频域反射法光纤延时精密测量

本文提出了一种应用于光纤延时系统中实现光纤延时精密测量的新方法,用以提高光纤延时测量的精度和准确性.该方法以1064 nm激光调制信号作为光源,通过测量回波信号的幅值和相位信息得到被测通道的频率响应,采用快速傅里叶逆变换得到被测目标的延时信息,实现光纤延时测量.本文通过理论分析和延时测量实验对频域反射法与传统的时域测量方法进行对比,使用频域反射法在调制频率范围10—200 MHz,采样频率间隔0.5 MHz的实验条件下,实现了3.3 ps延时测量分辨率,并证明了该方法具有比时域方法更高的测量精度,测量结果的准确性更好.     

基于光纤布拉格光栅的温度不敏感的倾斜传感器

提出了一种新颖的光纤布拉格光栅(FBG)倾斜传感器设计,采用4根反射波长不同的FBG,该结构更简单和稳定,可用来测量平面内两维方向的倾斜角度,具有高灵敏性和测量精度,且无需附加的温度补偿装置即可消除环境温度的影响。初步的实验结果证实了该设计的可行性,表明此倾斜传感器的角度准确度和精度非常好,可以达到约0.3°的精度。需要强调的是,此倾斜传感器的性能还可进一步提高,通过增加悬垂物重量,或减小每对光纤之间的夹角来提高准确度和精度。     

全光纤位移干涉技术在SHPB实验测量中的应用

为直接测量霍普金森压杆加载下试样径向应变位移,提出了一种稳幅输出的新型全光纤位移干涉技术。该技术采用半导体光放大器与掺饵光纤放大器的组合对来自试样表面的反射光进行动态饱和式放大。理论研究表明,该新型全光纤位移干涉仪能够输出振幅稳定的干涉信号,消除试样表面反射光强变化对位移测量精度的影响。实验结果表明,新型全光纤位移干涉仪能够实现对霍普金森压杆加载下试样弹性应变和塑性应变的高精度非接触测量。     

基于单数码相机的三维视觉测量数据拼接方法

针对大型物体三维形貌视觉测量,提出了一种新的视觉测量三维数据拼接方法。以一台高分辨率数码相机作为全局测量设备,在测量过程中固定不动,并以数码相机坐标系作为全局坐标系。视觉传感器流动到不同位置对物体各子区域进行测量,获得局部坐标系下的三维数据。以一平面靶标为中介将视觉传感器在各位置的局部坐标系统一到全局坐标系下,从而将三维数据统一到全局坐标系下,完成三维拼接。该方法无需在被测物上贴标记,因此适用于任何材质的被测物,且消除了拼接累积误差。实验结果表明,该方法相对拼接误差为0.076%。以Venus石膏像为被测对象,视觉传感器对其三个局部区域进行测量,给出了局部测量结果及拼接结果。     

基于圆结构光视觉传感器的标定特征点获取方法

管道作为工业生产重要的传输手段其内表面腐蚀程度和瑕疵的精确检测对于保证安全生产具有重要意义。针对管道内表面圆结构光视觉检测,提出了一种基于共面参照物获取圆结构光视觉传感器标定特征点的新方法。该方法设计了圆结构光平面靶标,基于交比不变原理,以摄像机三维坐标系为中介,将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到全局世界坐标系中,得到位于圆结构光曲面上的非共线标定特征点的三维世界坐标。该方法降低了标定设备的成本,简化了结构光视觉传感器的标定过程。标定实验精度达到0.340 mm,标定结果表明,该方法切实可行。     

阵列光纤在牙色测量系统中的应用

提出一种在牙色测量系统中应用阵列光纤色度传感器的新方法。该方法能够解决牙色测量中的复杂问题。采用该方法，可实现快速、精确的牙色测量，同时也能补偿平面光栅多色仪的色散。     

基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器

为了实现在侧边抛磨光纤（SPF）上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶（DCG）作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9 dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。     

光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究

提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器。首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测。研究结果表明,增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果,其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59%/%RH,较光纤SPR探针呈现显著提高。而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/%RH。此外所提出的新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用。     

Temperature-independent refractive index measurement based on Fabry-Perot fiber tip sensor modulated by Fresnel reflection

A simple fiber tip sensor for refractive index(RI) measurement based on Fabry-Perot(FP) interference modulated by Fresnel reflection is proposed and demonstrated.The sensor head consists of an etchinginduced micro air gap near the tip of a single-mode fiber.The microgap and the fiber tip function as two reflectors to form a FP cavity.The external RI can be unambiguously measured by monitoring the fringe contrast of the interference pattern from the reflection spectrum.The experimental results show that the proposed sensor achieves temperature-independent RI measurement with good linear response.The proposed sensor achieves a high RI resolution of up to 3.4×10 5 and has advantages of low cost and easy fabrication.     

光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.     

Cascaded dual-channel fiber SPR temperature sensor based on liquid and solid encapsulations

In order to control the working wavelength range of the fiber surface plasmon resonance(SPR) temperature sensor and realize the wavelength division multiplexing type multi-channel fiber SPR temperature sensor, by comprehensively investigating the influence of liquids with different thermal-optical coefficients and solid packaging materials on the performance of fiber SPR temperature sensor, a dual-channel fiber SPR temperature sensor based on liquid–solid cascade encapsulation was designed and fabricated. The liquid temperature sensing stage encapsulated in capillary worked in 616.03 nm–639.05 nm band, the solid sensing stage coated with pouring sealant worked in 719.37 nm–825.27 nm band, and the two stages were cascaded to form a fiber dual-channel temperature sensor. The testing results indicated that when the temperature range was 35℃–95℃, the sensitivity of two-stage temperature detection was -0.384 nm/℃and -1.765 nm/℃ respectively. The proposed fiber sensor has simple fabrication and excellent performance which can be widely used in various fields of dual-channel temperature measurement and temperature compensation.     

一种现场大尺寸测量精度的评价方法

针对现场全面评价大尺寸测量仪器精度的特殊性,提出了一种采用多仪器站多控制点的精度评价方法.基于四元数的空问数据配准,将多仪器站的测量数据统一到全局坐标系下,基于控制点坐标不变约束,对测量值进行统计得到测量不确定度,并从中提取仪器内部各传感器单元分量的不确定度.利用多传感器信息融合技术求得最优控制点,减小坐标转换误差对结果的影响.以激光跟踪仪为例进行了仿真和现场实验,结果表明,该方法评价测距和测角小确定度的误差可分别降至1 μm和0.1'以内.     

基于光栅应变传感器的纳米测量机探针设计

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度,且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求,提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针,即探针里有一个熔融的球形顶端,FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理,并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析,结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明,在轴向载荷条件下,用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试,得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率,其性能满足实际测量需要。