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关键词： 光纤传感器   微纳光纤   仿生触觉   压力   皮肤指纹微结构  

摘要： 随着智能制造、机器人技术和人机交互技术的不断发展,对于机器人和自主系统的触觉传感能力提出了越来越高的要求。目前,大多数传统的机器人和自主系统只能通过视觉和听觉等方式感知外部环境,而无法像人类一样具备触觉感知的能力。而仿生柔性触觉传感器能够更好地模拟人类的触觉感知,实现更为精准、快速和灵活的感知,从而提高机器人的感知和应对能力。本文依据人体指尖皮肤的机械架构,提出了一种基于微纳光纤的柔性触觉传感器单元（FIMF）,实现了对触压觉信息的柔性、高灵敏度、宽动态范围监测。主要研究内容包括以下四个方面: （1）探讨了微纳光纤（MNF）的导模理论模型,剖析了微纳光纤中模式的本征值方程和单模传输条件。数值计算了微纳光纤在各类包层环境中的截止直径,并对不等腰区径、在各种模式中的有效折射率、倏逝场占比以及光场分布情况进行了仿真。 （2）对微纳光纤的轴向应变下的光谱响应进行数值仿真,并理论分析微纳光纤在弯曲状态下的弯曲损耗和折射率分布变化,得出微纳光纤弯曲程度的递增会导致干涉光谱发生偏移以及能量的泄露,而轴向应变的递增也会导致干涉光谱发生漂移。通过搭建实验平台,实验研究了微纳光纤的轴向应变和弯曲应变特性,实验结果表明直径为5μm的微纳光纤,随着轴向应变的递增干涉峰中心波长蓝移,轴向应变灵敏度为-14.26 pm/με;而随着弯曲曲率的递增,干涉波长漂移,曲率灵敏度为0.09963 d B/m。 （3）受人体指尖触觉构架的启发,本文提出由两层互锁的环形脊结构（弹性树脂材料）、微纳光纤、聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜层组成的FIMF。参数化建模的结构力学仿真结果表明,FIMF可以通过调节各层结构的厚度改变感知灵敏度以及范围,从而适应不同的工况。本文考虑到双指机械手仿人类的日常应用场合,取顶层环形脊其特征尺寸为总体直径12 mm,脊厚度0.2 mm,脊宽度0.5 mm,脊间距0.5 mm;底层环形脊为互补结构,厚度为0.2 mm;PDMS厚度50μm;微纳光纤其直径为5μm,腰锥长度为2200μm。通过熔融拉锥技术结合3D打印工艺制备FIMF,搭建了力学性能测试系统对其力学性能测试。测试结果表明,FIMF感知范围0-16 N,压力灵敏度最高为20.58%N,相较于最近报道的MNF触觉传感器实现了约四倍的增强。 （4）分析了FIMF用于物体硬度感知和纹理感知的原理,并实验探究了FIMF的感知特性。结果表明FIMF透射强度反馈结合机械手行程用于感知物体硬度时,物体硬度的增加会导致透射强度的递减;而根据观透射光强度随时间的周期性变化,FIMF可以捕捉物体纹理特征。

摘要： 随着当前汽车产业的飞速发展，保障汽车安全、提高汽车性能成为促进汽车产业长远发展的关键措施。汽车安全性能检测系统对于汽车生产维修企业的发展有着非常重要的帮助，在实际应用的过程中，通过安全系统的检测能够及时发现汽车存在的安全性能问题，同时还能帮助汽车生产维修厂商了解汽车的性能结构，为后续汽车的优化以及新车型的开发提供重要基础。基于这一优势，汽车生产维修行业应当不断加强对汽车安全性能检测技术的研究与开发，以确保能进一步提高系统的智能化、自动化，为满足系统在汽车生产维修领域的应用需求打下坚实基础。为了进一步发挥汽车安全性能监测技术的应用效果，

关键词： 汽轮发电机组   法布里-珀罗   无源振动监测   光纤传感   F-P光纤振动传感器  

摘要： 随着新能源装机容量的攀升,火力发电开始向调峰、调压等灵活运行方式转变,汽轮发电机组作为火力发电的核心设备,参与深度调峰时运行于复杂环境中,其运行稳定性降低、启停次数增加等造成的寿命问题日益受到关注。目前传统的机组机械振动检测技术,常用基于电测量法的振动信号检测技术进行振动检测,其有源、受电磁干扰等缺点难以满足机组在深度调峰下的振动检测需求,无法充分发挥煤电作为灵活性调节型电源的兜底保供作用。同时,随着汽轮发电机组容量的不断提升,其励磁电流随之增大,强磁场环境也随之产生,传统检测技术在受到大电磁干扰后出现了测量误差,甚至引起传感器的故障。因此,迫切需要对有助于汽轮发电机组振动监测准确性提升的无源监测技术进行研究,以避免灾难性事故的发生,减少财产损失并保护人身安全。本文研究的主要内容即为弥补传统振动传感器抗电磁干扰能力弱的不足,提出了一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉的光纤振动传感器来实现对机组瓦振无源在线检测的方法,对于丰富与提升机组振动检测技术具有重要的研究价值。 本论文综合了弹性力学、电学及法布里-珀罗光学技术等多学科的知识,设计了F-P光纤振动传感器,主要的工作包括以下几个方面: 1、首先阐述了本文的研究背景及意义,然后分析了传统汽轮发电机组机械振动检测技术和基于不同光纤传感技术的光纤振动传感器的研究现状,最后总结了汽轮发电机组的故障类型。 2、介绍了振动传感器的典型力学模型,选用悬臂梁式光纤传感器为基础设计了F-P光纤振动传感器。然后分别从力学、光学两个角度对传感器进行了理论分析,验证了传感器无源监测机械振动的可能性。此外,介绍了解调传感器所获取振动信号的两类解调技术,通过分析对比后,采用了强度解调技术对F-P光学谐振腔中反射光强信号进行解调。 3、通过结构力学中等截面梁形变理论进行分析,确定了所设计的F-P光纤振动传感器中悬臂梁的主要参数,并利用有限元仿真软件建立了悬臂梁的仿真模型,模拟了悬臂梁的固有频率及幅频响应这两个关键性能参数,获得了悬臂梁的一阶固有频率为1359 Hz,表明了传感器的仿真工作频域范围可达10～700Hz。最后,在光学平台上完成了对F-P光纤振动传感器的装配工作。 4、搭建了实验平台并分别对F-P光纤振动传感器的线性度、灵敏度等不同的性能指标进行了测试。实验结果表明,传感器的时域输出响应与加速度输入呈线性关系,50 Hz下线性度R2为99.14%,灵敏度为10.29 mV/m·s-2,具有较好的稳定性;幅频特性曲线在500Hz内具有平坦的频域响应,固有频率为1480Hz,具有良好动态跟随性能;最后,传感器振动特性实验结果表明,传感器横向干扰误差小于10%,具有优异的抗横向干扰性能;此外,传感器可以准确地识别小型旋转机组在3000/3600 r/min转速下正常运行时的特征频率,论证了 F-P光纤振动传感器应用于汽轮发电机组瓦振无源检测的可行性,可为复杂环境下机组振动检测提供一种无源、抗电磁干扰的测量方案。

关键词： 光波导放大器   布拉格光栅   聚合物   纳米晶  

摘要： 光通信技术是一种利用光波作为信息载体进行数据传输的技术,它利用光信号替代传统的电信号进行通信,由于光波具有更高的频率和更窄的波长,从而能够实现更大的带宽与更高的数据传输速率,同时也表现出更低的信号衰减和更强的抗电磁干扰能力,因而成为了通信领域不可或缺的基石。其中,将各种光波导器件集成到衬底上的光波导技术正处于发展阶段。光波导技术即将各种平面光电子器件,如光波导开关、光波导耦合器与光波导滤波器等,集成在基片上,从而实现各种功能。然而高度的片上集成会不可避免地带来更多的损耗,为了解决这一问题,需要对传输信号进行补偿,从而降低误码率。光波导放大器是一种直接对光信号进行放大补偿的光波导器件,聚合物光波导放大器作为光波导放大器的一种,由于其工艺简单、成本低等优点而被广泛应用。为了在聚合物光波导放大器中实现更高的增益性能,需要对其掺杂的纳米粒子种类与浓度、器件结构和泵浦方式等进行优化。本论文提出一种具有光栅结构的铒镱共掺聚合物光波导放大器,在不增加放大器尺寸的前提下,以实现在不增加放大器尺寸的情况下提高增益。论文的最后,针对S波段光放大,对铥掺杂体系进行掺杂铽（Tb）元素的创新,设计并制备出了高增益的S波段放大器。 论文基于980 nm波长泵浦下铒镱共掺能级体系的能量传递过程,分析了铒镱共掺体系能够实现1530 nm波长光放大的原理。采用高温热分解法制备了Na YF4:Yb3+,Er3+纳米晶,纳米晶形貌良好,尺寸均一,并具有优良的发光特性;将其掺杂进SU-8光刻胶中作为波导芯层材料,设计了矩形结构的光波导放大器;分别通过Comsol、Matlab对其进行了光场分布与器件增益的仿真;通过旋涂、紫外光刻与湿法刻蚀等工艺制备器件并对波导形貌进行表征;对器件进行测试,测得其在1300 nm波长处传输损耗为1.6 d B/cm,在信号光波长1530 nm、信号光功率0.1 m W、泵浦光功率300 m W时,制备的光波导放大器获得了最大7.8 d B的相对增益。 为了进一步提高光波导放大器的增益,提出一种具有光栅结构的铒镱共掺聚合物光波导放大器,利用布拉格光栅理论、光波导理论和光放大器理论,分析了器件中信号光和泵浦光的传输过程,设计了器件结构,分别利用Comsol、Matlab对其进行了光场分布与器件增益的仿真;利用制备的Na YF4:Yb3+,Er3+纳米晶掺杂SU8光刻胶作为增益介质完成了器件工艺制备,搭建测试系统并对器件进行测试,当1530 nm信号光功率为0.05 m W时,测试得到的最大相对增益为8.2 d B,与 相同长度的不具有布拉格光栅的光波导放大器相比,增益提高2 d B。 对光通信S波段光放大进行了探索性研究,提出在镱铥共掺体系中加入铽元素作为钝化剂,制备了Na YF4:Tm3+,Yb3+,Tb3+纳米粒子,通过提高铥离子处于激发态的粒子的衰减效率,增强了该材料的下转换发光效率。基于该材料设计并制备了以二氧化硅为下包层、纳米粒子聚合PMMA为芯层、PMMA为上包层的倒脊型结构的光波导放大器;通过Comsol与Matlab软件仿真分析设计光波导放大器尺寸结构,完成了器件制备与波导形貌表征;搭建测试系统对器件损耗及增益性能进行测试,测试结果表明,当1464 nm波长信号光功率0.04 m W,980 nm波长泵浦光功率300 m W时,掺有铽离子的聚合物光波导放大器的最大相对增益为18 d B,相较无铽离子掺杂的聚合物光波导放大器实现了3.8 d B的增益提升。