【摘 要】
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随着新材料技术和仿生电子学等学科的飞速发展,在小尺寸区域达到高空间分辨率的测量能力成为仿生触觉感知技术需要不断提高的难点之一。以光纤作为传感元件的光纤传感技术因具有系统易于搭建、成本低、灵敏度高、探测范围广、不需额外供电和不受电磁干扰等优点,使其近些年成为重点的研究方向被广泛应用在物理、化学和生物医学等学科领域。本文以PMMA-CFBG为传感元件,提出了一种高空间分辨率的分布式传感方法并进行了理论
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随着新材料技术和仿生电子学等学科的飞速发展,在小尺寸区域达到高空间分辨率的测量能力成为仿生触觉感知技术需要不断提高的难点之一。以光纤作为传感元件的光纤传感技术因具有系统易于搭建、成本低、灵敏度高、探测范围广、不需额外供电和不受电磁干扰等优点,使其近些年成为重点的研究方向被广泛应用在物理、化学和生物医学等学科领域。本文以PMMA-CFBG为传感元件,提出了一种高空间分辨率的分布式传感方法并进行了理论分析与实验验证。然后,针对光纤传感元件的封装薄膜和封装后进行应用的柔性抓握结构的抓取过程进行了有限元仿真建模分析。证明了传感元件对拉伸、弯曲和扭转等形变行为可以灵敏感知,利用仿真结构验证了传感元件可以用于抓握活动检测的可行性。本文主要完成的研究工作可以分为以下几个方面:（1）对啁啾光纤光栅系统的传感原理进行介绍,针对啁啾光纤光栅空间色散的特性,提出应用基于OFDR的分布式光纤传感技术进行解调。研究了国内外分布式传感技术的进展,详细分析了聚合物啁啾光纤光栅制备与写制的各类方法的优缺点。（2）提出了一种基于PMMA-CFBG的高空间分辨率的分布式传感方法,并进行了实验验证。首先,完成了实验所用的聚合物光纤光栅的制备与写制。通过搭建基于OFDR的传感系统,利用STFT解调CFBG反射光与FRM反射光的外差拍频信号对被测点定位;推导出传感信息和系统拍频频差之间的数学关系。验证实验中,使用PMMA-CFBG和二氧化硅CFBG进行对比实验,证实了聚合物啁啾光纤光栅更低的杨氏模量具有更高的感知灵敏度。在40mm长的光栅长度上实现了1mm的空间分辨率,应变分辨率为0.491Hz/με。（3）针对触觉检测需要,通过有限元仿真对传感元件进行薄膜封装并建立应用到机械柔性爪的仿真模型。研究了柔性爪不同部位受到圆形和矩形载荷时传感单位的受力分布情况,模拟了抓取过程,给出各触觉传感单元与被抓物体接触过程中的应力、应变和位移变化规律。仿真结果表明仿真结构存在可行性,传感元件在实际工程应用的过程中可以检测到受力面的扭转和拉伸状况,实验证实的定位和分布式传感功能,可以达到智能机器人手的高空间分辨率的触觉传感需求。
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