畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯1

1、溫度傳感器陣列用于光纖光柵傳感器觸覺(jué)使用摘要本文介紹了能檢測(cè)分布式溫度和分布力的觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng) 是采用光纖光柵傳感器進(jìn)行檢測(cè)的。還介紹了最新光纖光柵技術(shù)設(shè)計(jì)的溫度傳感 器，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。將這類傳感器陣列和測(cè)力傳感器陣列結(jié)合起來(lái)，就 能形成一種新的觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠測(cè)得溫度的分布狀態(tài)并能進(jìn)行評(píng) 估。特別是通過(guò)利用分布式溫度傳感器陣列，分布式力傳感器陣列可補(bǔ)償溫度的 影響，防止散發(fā)準(zhǔn)確測(cè)力。介紹目前，許多研究人員正試圖運(yùn)用智能機(jī)器人系統(tǒng)的五官感覺(jué)。尤其是將許多 種觸覺(jué)傳感器與不同的小型力傳感器結(jié)合然后運(yùn)用于智能機(jī)器人，teleoperational 機(jī)器人，觸覺(jué)感知接口

2、1-7. 一些的觸覺(jué)傳感器和小型測(cè)力傳感器已經(jīng)被運(yùn)用于 MEMS技術(shù)。8-12. MEMS觸覺(jué)傳感器的研究主要集中于硅基傳感器，因?yàn)檫@ 些傳感器憑借MEMS技術(shù)提供了良好的空間分辨力。然而，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用 中仍然存在一些問(wèn)題。特別的是，剛性基板，脆弱敏感的元素和復(fù)雜的布線妨礙 了先前的功效。在作者先前的研究中，介紹了一個(gè)3x3的分布式傳感器，該傳感 器采用了光纖光柵技術(shù)，還運(yùn)用了將光纖光柵轉(zhuǎn)換成光纖的換能器。它展示了光 纖光柵分布式傳感器的良好性能和簡(jiǎn)單的布線，和MEMS觸覺(jué)傳感器相比它有更 好的靈活性。然而這一光纖傳感器的陣列采用了光纖光柵，很容易受到溫度影響 而改變。雖然溫度的變化可能發(fā)

3、生在任何實(shí)際情況，它假定這里的環(huán)境溫度是 常數(shù)。如果這個(gè)傳感器不是用于溫度補(bǔ)償?shù)模筒豢赡軐?duì)分布力進(jìn)行精確的檢 測(cè)，即使是通過(guò)對(duì)溫度變化引起的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量變化測(cè)量的這種方法。因 此，就需要一種對(duì)實(shí)際溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。在本文中，提出了一種新設(shè)計(jì)的光 纖溫度傳感器，就是用3x3溫度傳感器陣列對(duì)3x3測(cè)力傳感器陣列的溫度效應(yīng)進(jìn) 行補(bǔ)償，和對(duì)溫度分布進(jìn)行檢測(cè)。光纖光柵傳感器的主體基于波分復(fù)用技術(shù)的光纖傳感器適合于分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)。光纖傳感器容易復(fù) 用而且擁有其他很多的優(yōu)勢(shì)，如線性反應(yīng)和相對(duì)測(cè)量等。光纖傳感器系統(tǒng)的基本 原則在于對(duì)波長(zhǎng)移動(dòng)量布拉格信號(hào)回程（布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量）的檢測(cè)，作為被測(cè)量 的一個(gè)

4、功能（例如：應(yīng)變、溫度和力）。圖1光纖光柵傳感器編碼操作布拉格波長(zhǎng)和材料及光柵間距的折射率有關(guān)。比較典型的傳感器系統(tǒng)包括從 寬帶源頻譜的纖維注入光的光柵，其結(jié)果是在布拉格波長(zhǎng)中光柵反映了一種狹隘 的光譜成分，或者這部分在觀測(cè)頻譜時(shí)在傳輸過(guò)程中被丟失了。表1中簡(jiǎn)單的利 用圖標(biāo)例舉了這個(gè)過(guò)程。一個(gè)光纖光柵是按一個(gè)周期來(lái)運(yùn)行的，光纖是導(dǎo)致折射率產(chǎn)生變化的核心因 素。在某一特定波長(zhǎng)窄帶中，光柵以反射光的形式表現(xiàn)出來(lái)，這樣的波長(zhǎng)稱為布 拉格波長(zhǎng)。產(chǎn)生布拉格波長(zhǎng)的條件是* B = A在式子中* b是光纖光柵溫度傳感器的Bragg波長(zhǎng)，n e是光纖核心的實(shí)際有效指 數(shù)，還有是光柵的周期，Bragg波長(zhǎng)的變化

5、量是由應(yīng)變變化和溫度變化產(chǎn)生的， 溫度變化可以由下列的式子進(jìn)行表達(dá)*B = *B & f +E f M + G_pe屁在式子中是熱膨脹系數(shù)(CET)，是熱光系數(shù)，還有，是光纖的應(yīng)變光學(xué)系數(shù)。 =上,這個(gè)值是用于這次研究而通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的13.在式子(2)中，布拉格波長(zhǎng)移動(dòng) 量同時(shí)和機(jī)械應(yīng)變的變化和熱應(yīng)變的變化有關(guān)。假設(shè)機(jī)械應(yīng)變?yōu)?，那么式子(2)就能夠?qū)?成像式子(3)這樣。在式子(3)中，布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量可作為溫度的變化進(jìn)行測(cè)量。y八超)Ill溫度傳感器陣列使用光纖布拉格光柵溫度傳感器采用光纖布拉格光柵一個(gè)溫度觸覺(jué)傳感器元件是采用光纖布拉格光柵制造而成的，可以通過(guò)表格 （2）進(jìn)行簡(jiǎn)單的了解。光

6、纖布拉格光柵被撓性接管覆蓋了，阻止了由于溫度的 變化造成的這種結(jié)構(gòu)的任何熱應(yīng)變，即便是在增加了溫度傳感器或接入另一個(gè)結(jié) 構(gòu)的情況下。這樣可以防止光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)受到附加材料的熱應(yīng)變的影 響。另外，使用了能抗剪承受力的氧化硅把撓性接管固定在光纖上。其中采用了 2mm長(zhǎng)的光纖，這和在橋式型的測(cè)力傳感器使用的光纖長(zhǎng)度是一樣的13。對(duì)采用了光纖光柵的溫度傳感器的評(píng)價(jià)為了評(píng)價(jià)這個(gè)已制造的溫度式壓電傳感器，已設(shè)計(jì)好的校正系統(tǒng)，如圖36 所示，把光纖光柵溫度taxel和熱電偶放進(jìn)水里，用熱板型熱水器進(jìn)行加熱。將 熱電偶的輸出信號(hào)和由于溫度變化產(chǎn)生的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量進(jìn)行比較，溫度變化 和布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量之

7、間的線性方程可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得。圖2.使用光纖光柵溫度傳感器原型圖3.溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖01CM30IO50溫度變化圖01CM30IO50溫度變化圖4.隨著溫度變化溫度式壓電傳感器的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量在溫度式壓電傳感器中，存在布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量和溫度變化的線性關(guān)系。這 種線性關(guān)系大約接近表格4中的第一項(xiàng)命令多項(xiàng)式。采用這種近似值的計(jì)算法， 可以用確切的溫度變化來(lái)檢測(cè)布拉格波長(zhǎng)。原型紫杉醇的準(zhǔn)確度為99.8 %，并 解決這一紫杉醇編造溫度大約是0.1攝氏度，線性誤差大約是0.2 %。溫度紫杉 醇還顯示了其可重復(fù)性和磁滯特性?？芍貜?fù)性的誤差大約是1.2%，磁滯現(xiàn)象的誤 差大約為1.3%。C.對(duì)采用光纖

8、光柵的分布式溫度式壓電傳感器陣列的評(píng)價(jià)使用光纖光柵的溫度壓電式傳感器，創(chuàng)造了一個(gè)3x3分布式光纖光柵溫度傳 感器陣列。這一溫度傳感器陣列的空間分辨率是5毫米。其中嵌入在傳感器陣列 中的9個(gè)光纖光柵有他們自己的布拉格波長(zhǎng)。不同的布拉格波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的高峰 點(diǎn)。因此，每個(gè)布拉格波長(zhǎng)的移動(dòng)量表現(xiàn)了分布式溫度的變化，這可以用波分復(fù) 用 (WDM)的方法進(jìn)行測(cè)量。表1.使用光纖光柵溫度傳感器陣列的布拉格波長(zhǎng)序號(hào)12311562 nm1565 nm1568 nm21571 nm1574 nm1577 nm31580 nm1583 nm1586 nm表2.各個(gè)溫度紫杉醇近似線性關(guān)系（y = A + Bx ,

9、y是溫度變化量,x是波長(zhǎng)移動(dòng)量）項(xiàng)數(shù)AB1-0.001620.010012-0.000980.099SI3-0.000790.094(.00103(J.OIO3IS0.001120.010456-O.QOI330.01007-0.00 IS20.0I0LB30.000360.0999 90加。1如川心表1顯示了這次研究中采用的布拉格波長(zhǎng)。為了直接確定分布式溫度因此要證實(shí) 每個(gè)溫度傳感器之間的關(guān)系。表2顯示了對(duì)這些近似值的系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的評(píng)價(jià)。IV.采用光纖布拉格光柵的觸覺(jué)傳感器光纖光柵觸覺(jué)傳感器的陣列是由一個(gè)3x3的測(cè)力傳感器陣列13和一個(gè)3x3的溫 度傳感器陣列組成的，如圖5所示。所有的光纖

10、光柵傳感器都使用了光學(xué)纖維。 如上所述，溫度的變化和機(jī)械應(yīng)變的變化同時(shí)影響了光纖光柵傳感器的布拉格波 長(zhǎng)移動(dòng)量。為了測(cè)量光纖光柵測(cè)力壓電引起表面力的確切變化，必須除溫度變化 引起的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量以外進(jìn)行計(jì)算。圖5.能檢測(cè)分布力和分布式溫度的二維傳感器陣列00圖6.二維分布力和分布式溫度的輸出（a）溫度補(bǔ)償力我分布；（b）溫度變化分布擬議的溫度傳感器的含有這樣的結(jié)構(gòu)，即不會(huì)受熱應(yīng)變的影響。光纖布拉格 光柵由溫度的變化引起的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量，可以通過(guò)溫度傳感器陣列進(jìn)行測(cè) 量。因此，通過(guò)機(jī)械應(yīng)變有可能獲得布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量；那就是，采用外加力的 方法對(duì)布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，把壓電式傳感器的變

11、化來(lái)檢測(cè)光纖減小 轉(zhuǎn)移為檢測(cè)溫度的壓電式傳感器變化來(lái)代替，檢測(cè)的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量的總和通 過(guò)換能器轉(zhuǎn)變另一種布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量，二另一種便是由結(jié)構(gòu)性熱應(yīng)變變化引起 的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量。據(jù)核實(shí)，已經(jīng)制造好的觸覺(jué)傳感器能夠檢測(cè)分布式溫度的變化和分布式應(yīng)變 力的變化。該傳感器的重量為200g，它的表面溫度比室溫高（和大約20 C的室 溫相比將近有60 C）在裝載了 1, 2, 4號(hào)后，還有5個(gè)壓電式測(cè)力器如圖5所示， 其中未安裝的產(chǎn)生的布拉格波長(zhǎng)移動(dòng)量不是由熱測(cè)試重量傳導(dǎo)引起，而是由熱測(cè) 試重量輻射引起的。表格6a顯示了補(bǔ)償力信號(hào)的分布，溫度變化引起的布拉格波 長(zhǎng)移動(dòng)的損耗量。而圖6b顯示了由于溫度傳

12、感器陣列的布拉格波長(zhǎng)導(dǎo)致溫度分布 的變化。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用擬議的溫度補(bǔ)償法我們可以對(duì)力的分布和溫度 的分布進(jìn)行精確的測(cè)量。V.結(jié)論在本文中，溫度式壓電傳感器展示了其良好的性能，創(chuàng)建了采用光纖光柵的 3x3溫度傳感器的陣列。利用作者以前的文章中的橋式轉(zhuǎn)換器把3x3溫度傳感器 陣列用于3x3測(cè)力傳感器陣列，觸覺(jué)傳感器能檢測(cè)分布式溫度的變化，還能對(duì)分 布式應(yīng)力的變化進(jìn)行估計(jì)。在5X5毫米面積上這個(gè)觸覺(jué)傳感器有9個(gè)壓電式測(cè)量 器（3x3）和9個(gè)溫度式壓電測(cè)量器（3x3）。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)溫度效應(yīng)用分布 式應(yīng)力變化的精確補(bǔ)償和使用溫度傳感器陣列改變分布式溫度都能確定。由于這 觸覺(jué)傳感器是由一種光導(dǎo)纖維光纖傳感器組成的，對(duì)電磁場(chǎng)有一定的免疫力，并 具有較高的抗水和抗腐蝕