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关键词： 光纤布拉格光栅   触觉信息融合   二维滑动检测   接触面材质识别  

摘要： 在数据交互越来越频繁与流畅的信息化社会,生活品质的提高和工业发展已经使得人们不满足于自动化生产和简单的人机交互,人类希望机器人除了自动执行某段程序之外,也可以进行预测性操作。因此,如何让机器人感知周围环境并根据采集到的信息做出符合人类预想的操作成为了研究热点,而在众多传感器技术中,触觉传感器更受关注。光纤布拉格光栅可以将压力、温度、振动等信息转变为光波长信号,通过相应的感知单元和解调方法实现定量表征,可以赋予机械手感知信息的能力。触觉包含力觉、痛觉、滑觉、冷热觉等。单一的触觉信息不足以支持机械手做出精确判断,需要采集多种触觉信息来提高系统鲁棒性。传统压阻式、压电式等传感器难以在小区域内大量布置,裸光纤布拉格光栅传感器直径125微米,可以在轴向不同位置处刻写栅区,引入传感区域,同时空分复用与波分复用保证了小区域内可以存在多个传感区域,这便于提高传感单元信息密度同时缩小传感单元体积。光信号在光纤中的传输速度快,同时不受电磁信号干扰,可以极大减少感知量到输出量的转化时间又保证了信号传输的稳定性。通过复用光纤布拉格光栅传感器的方法,将不同种类的触觉信息同时采集并耦合表现为光纤布拉格光栅中心波长变化,实现温觉、力觉、二维滑觉等触觉信息的融合感知。同时为了解决光纤布拉格光栅温度与应力双敏感问题,采用差动方法在悬臂式敏感结构上对称布置光纤布拉格光栅传感器。在完成传感单元主体结构设计的基础上,采用对比法标定了触觉传感器的温度系数。采集不同质量滑块在不同位置的波长变化值,确定触觉传感器的质量系数。二维滑动的位置确定是基础问题,本文使用多次测量取平均值的方法对不同质量滑块滑动数据进行拟合,得到拟合曲线,与理论值的相对误差在4.1%～9.7%之间。从基本公式出发,推导悬臂式敏感单元的二维滑动感知原理,进行了相关实验验证。在X轴的滑动检测中,中心波长与位移理论值和实验值的相对误差在3%～6%,Y方向的误差在4%～10%,二维滑动的角度相对误差在4%～8%。滑动速度2mm/s的误差范围在0.2mm/s以内,5mm/s的误差范围在0.5mm/s以内,10mm/s的误差范围在2mm/s以内。为了提高悬臂式触觉传感器性能,在其上嵌入硅橡胶传感单元,通过提取滑动过程中所采集数据的特征值来识别接触界面材质。搭建解调系统以及设计上位机处理程序,既实现了通过触觉传感器识别滑动趋势产生点,也完成了对PLA(Polylactic Acid)、布和砂纸三种材料的分类识别,识别正确率为95.24%。

关键词： 单层石墨烯   古斯-汉森位移   光栅   光子晶体  

摘要： 单层石墨烯因其特殊的带隙结构,使其具备极其优越的物理性质和电光性质。这些优异的性质使其在柔性射频器件、电子元件、超级电容器、光学传感器、导电油墨、涂料和复合材料等领域具有重要的应用价值。古斯-汉森位移（Goos-H?nchen shift,GH shift）简称GH位移,是指当光束在界面处完全反射时,反射光束会从几何光学预测的位置发生横向偏移。GH位移已在解/复用器、光开关、化学和生物传感器以及表面粗糙度检测器的设计中大放异彩。一般情况下,由于GH位移幅值较小,其无法在相关应用中得到更好地发展。而单层石墨烯的发现为探索GH位移提供了前所未有的机会。本文基于传输矩阵法、严格耦合波分析法和静态相位法,研究了基于单层石墨烯的复合结构来研究反射波的GH位移的变化,以期获得较大的和可调的GH位移,其具体工作如下:首先,通过构建单层石墨烯缎带和多层介电光栅结构来研究反射波的GH位移。这里得到的GH位移在近红外频率区域高达工作波长的7300倍。我们进一步阐明,增强的GH位移源于顶层介电光栅结构的导模共振,通过调节单层石墨烯缎带的化学势来控制GH位移的大小和符号。此外,我们通过改变复合结构的结构参数来控制GH位移的大小和位置。因此,该工作为增强和控制单层石墨烯缎带复合结构中反射波的GH位移开辟了一条新的途径,这可能有助于它们在高分辨率传感器和成像检测等方面具有潜在的应用。其次,构建并研究了由单层石墨烯和一维拓扑光子晶体所组成的结构来研究其反射波的GH位移。结果显示,该结构的GH位移在近红外频率下大小可达到工作波长的5200倍。通过分析该结构的电场图,我们可以发现入射电磁波能量主要集中在一维拓扑光子晶体界面处,也就是单层石墨烯层所在的位置。因此,正是因为两个一维光子晶体界面处存在拓扑边模,从而导致在两个光子晶体界面处的光场局域以及增强了GH位移。此外,我们可以在该结构中通过改变单层石墨烯的参数和结构的几何参数来获得GH位移的可调性。该复合结构可为研究光子拓扑态在集成光子器件和信息处理芯片中的应用提供参考。最后,构建并研究了由多个单层石墨烯和两个一维光子晶体所组成结构的反射波的GH位移。该结构中反射波的GH位移可以在1950 nm到2250 nm内出现对应的三个峰,其值分别是1270?、410?和960?（?表示工作波长）。我们发现该结构的GH位移的增强可以归因于多个单层石墨烯的存在促进了光与复合结构之间的相互作用,而由于在单层石墨烯处的电场强度的分布差异导致三个GH峰值大小不同。此外,通过改变单层石墨烯的费米能级和结构的几何参数,该复合结构中的反射波的GH位移可以被精准控制。这种基于多个单层石墨烯的复合结构出现多个GH峰的结果可以为光探测、屏蔽和光学传感领域铺平道路。

关键词： 模内微装配   光纤光栅   热流固耦合   压力传感器  

摘要： 微装配技术已成为制约微机电系统制造的瓶颈,模内微装配成型是突破该瓶颈的一种极具发展前景的高效、低成本、产业化聚合物微机电系统制造技术。模内微装配成型过程中二次成型件对一次成型件耦合界面的压力是影响装配体品质的关键因素,如何精准、高效地测量耦合界面压力是模内微装配研究的关键共性问题。针对此问题,本文构建了聚合物模内微装配成型过程中热流固耦合界面形变的理论模型并进行了数值仿真,分析了模内微装配过程中一次成型件在耦合过程中的形变情况。在此基础上,结合光纤光栅本征无源、抗干扰强、轴向应变敏感等特性提出了一种基于光纤光栅传感技术的模内微装配耦合界面压力检测方法,据此设计了耦合界面压力传感器,并对传感器性能进行了数值仿真分析和实验验证。本文主要工作包括:基于热黏弹塑性本构模型和流变学基本理论构建了聚合物模内微装配成型过程中热流固耦合界面形变模型,并进行了数值仿真,分析了一次成型轴体在耦合界面上的受载情况,为模内微装配耦合界面压力检测方法研究与传感器研制提供了理论基础。提出了一种基于光纤光栅传感的模内微装配过程耦合界面压力检测方法。使用轴体耦合面中心点平均压力描述耦合界面压力,将压力测量映射为光纤光栅反射光波长测量,并通过光纤传输信号至光谱仪实现了对数据的实时获取,解决了由于模内腔体小、微装配过程温度高等复杂环境因素导致的普通压力测量方法无法对模内耦合界面压力进行测量的问题。研发了一种模内微装配过程耦合界面压力传感器。基于轴对称圆形膜片最小挠度传感机理,通过对封装材料参数的理论分析与仿真实验,设计了模内耦合界面压力传感器结构,建立了压力与反射光波长之间的映射模型。进行了模内微装配耦合界面压力检测实验。实验结果表明,压力传感器的线性度为0.9754,迟滞性和重复性误差分别为4.32%及0.136%,实现了对模内微装配耦合界面压力的准确测量,验证了本文所提检测方法的准确性、稳定性和有效性,为促进聚合物微机电系统制造技术的研究和发展提供了有力工具。

摘要： 申请号:202210574176.2【申请日】2022.05.25【公开号】CN114812890A【公开日】2022.07.29【分类号】G01L1/24【申请人】深圳市简测智能技术有限公司【发明人】夏梦颖;尹永欣;刘倩;周亦农;【摘要】任伟本发明公开了一种超薄光纤光栅压力环传感器，属于传感器与检测技术领域。包括：底座、环形悬臂梁和外部的保护壳。底座上有两个固定台用于支撑环形悬臂梁，并且环形悬臂梁上设置有受力凸台，

关键词： 对称张量   低秩正交逼近   极分解   全局收敛性   次线性收敛率  

摘要： 本文针对对称张量,提出了一个求解其对称低秩正交逼近问题的算法.该算法结合临近技术和移位幂法,在参数选择适当的情况下,可以发现,不需有任何假设就能保证全局收敛.同时,本文根据张量的维度和阶数计算了该算法的最终收敛速率,这优于通常一阶方法的收敛速率O（1/p）,最后建立了算法的线性收敛性.本文首先介绍了张量分解及其逼近问题、对称张量的低秩逼近问题的研究现状.其次,介绍了张量相关的定义以及证明收敛性所需的关键引理.进一步,针对对称张量,提出了一个求解其对称低秩正交逼近问题的算法A,该算法结合了极分解及移位幂法,通过极分解保证了迭代序列的正交性.之后,针对是否含临近项的情况分析了算法的全局收敛性.最后,分析了算法A的次线性收敛率及线性收敛率,表明了该算法具有全局次线性收敛性及线性收敛性,从理论上验证了算法的可行性和有效性.此外,本文对对称低秩正交逼近问题的一个线性化问题做了延伸,该问题为SLROA问题的一个近似,针对该问题本文提出了一个算法B并分析了其收敛性,结果表明该算法在保证参数的条件下,不需任何假设就可全局收敛.

关键词： 光栅投影三维测量   相机标定   投影仪标定   系统标定  

摘要： 光栅投影三维测量技术具备非接触测量、测量精度高、测量速度快、易于实施等优点,是光学三维测量的标志性技术之一,因此被广泛运用于多个领域。系统标定是整个光学三维测量系统的关键技术,良好的系统标定精度是系统测量精度的保证。然而,现有的系统标定技术还存在着标定精度不高、标定过程复杂等问题,因此寻求高精度且易于实施的系统标定方法,对光栅投影三维测量技术的研究将起到至关重要的作用。本文针对光栅投影三维测量系统中的投影仪坐标精确计算问题、系统标定问题进行了研究,主要研究内容和工作包括以下几部分:1.投影仪坐标精确计算问题:对传统投影仪标定方法进行了分析,将其标定精度的影响因素分为了圆心偏差、相位误差和投影仪坐标映射误差三部分。针对每一个影响因素,提出了对应的解决方案:针对圆心偏差,基于同心圆根据射影变换中的交比不变性对其进行了校正;针对相位误差,使用双四步相移法对其进行了补偿;针对坐标映射误差,提出了一种基于局部单应性矩阵的投影仪坐标亚像素映射算法。实验结果证明了每一部分算法的有效性。2.系统标定问题:首先,利用圆心偏差校正后的圆心,基于张正友标定方法完成了相机标定,相机标定实验结果证明了圆心偏差校正后相机标定精度更高;然后,利用圆心偏差校正后坐标和相位补偿后的绝对相位信息,基于局部单应性实现了投影仪图像坐标的亚像素级映射,完成了投影仪的精确标定,投影仪标定实验结果证明了本文投影仪标定方法的有效性;最后,利用搭建的光栅三维测量系统,根据相机标定结果和投影仪标定结果,完成了系统的联合标定,对其参数进行了优化,标准平面的测量实验结果表明了本文提出的系统标定方法的有效性。

关键词： 太赫兹波   耦合腔金属光栅   石墨烯   可调控   太赫兹波群速慢化  

摘要： 利用新机制设计太赫兹波群速调控器件在太赫兹通信中具有重要意义。本论文提出通过亚波长耦合腔金属光栅内的腔模共振与导模共振简并产生类电磁诱导透明的新机制并研究太赫兹波群速调控特性,通过改变石墨烯的费米能级实现对太赫兹波群速度控制。本文研究亚波长金属光栅与耦合腔金属光栅的太赫兹光谱响应。确定了亚波长耦合腔金属光栅是通过导模共振与腔模共振简并产生类电磁诱导透明现象,提出新机制。利用耦合模理论模型,深入分析亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明现象的物理机制。研究亚波长耦合腔金属光栅的太赫兹波群速慢化特性。基于亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明现象,通过理论计算太赫兹波群延迟达到3.44 ps。进一步优化结构参数后改变腔内填充物折射率,分析亚波长耦合腔金属光栅太赫兹波群速慢化特性的变化。确定填充物的折射率越高,群延迟越大。当填充物折射率至2时,群延迟高达5.69ps。这些工作为后续通过石墨烯调控太赫兹波群速慢化奠定了研究基础。研究石墨烯调控太赫兹波群速延迟特性的变化。讨论亚波长耦合腔金属光栅铺设石墨烯后太赫兹波光谱模式变化。研究其产生的类电磁诱导透明现象以及太赫兹波群速延迟特性的变化。确定石墨烯显著影响了太赫兹波群速慢化特性。讨论当腔内填充物折射率不同时,对石墨烯调控亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明以及太赫兹波慢化特性的影响。发现当腔内填充物折射率为2时,石墨烯对太赫兹波群速延迟影响最大。改变石墨烯费米能级,进一步分析对亚波长耦合腔金属光栅产生的类电磁诱导透明及太赫兹波群速延迟特性的影响。当石墨烯的费米能级增大0.3 e V,电磁诱导透明峰处的频率位置不发生改变,群延迟增加7.97 ps,最大至23.23 ps。在不改变结构几何参数的情况下实现太赫兹波群速动态可调谐。本论文提出了在太赫兹波段产生动态可调控的类电磁诱导透明现象的新机制,是通过亚波长耦合腔金属光栅内的腔模共振和导模共振耦合实现。并在光栅结构上引入石墨烯获得超过23 ps的群延迟。通过改变石墨烯的费米能级调控太赫兹波群速慢化特性,具备工作频率稳定且可调谐范围大的良好性能。研究结果为控制太赫兹波的群速度提供了一种有效的方案。

关键词： 矩阵填充   张量填充   Rademacher复杂度   对偶范数   投影梯度法  

摘要： 矩阵填充是通过对该矩阵的有限数目测量推断出整个矩阵,在推荐系统、系统识别、传感定位等领域应用广泛.由于数据在传输过程中存在缺失或是噪声干扰,故从损坏数据中寻找高效且快速的填充方法至关重要.研究表明,核范数方法具有严密的理论分析,但仍不是秩函数的最佳凸代替,因此寻找其他更优的凸代理函数十分必要.张量是向量和矩阵的扩展,能准确地表示大数据.与矩阵填充问题类似,故从存在缺失以及受到污染的矩阵和张量数据中寻找更为优化的填充方法是一个重要的研究课题.本文主要研究观测被泊松噪声污染时,利用max-范数方法进行低秩矩阵和张量的填充问题.论文共分为五章,主要内容如下:第一章主要论述本文的研究背景及意义,矩阵和张量填充的发展及研究现状,并总结本文的主要工作.第二章简述本文所用的基本概念与相关理论基础.包括:矩阵代数和张量代数的基础知识与记号、概率不等式、Rademacher复杂度的定义及性质、Fano不等式、KL-散度与Hellinger距离等.第三章主要研究泊松噪声下基于max-范数方法的矩阵填充问题.首先根据部分观测建立惩罚对数似然的约束优化模型;其次借助Rademacher复杂度、概率不等式、KL-散度与Hellinger距离的关系等理论工具,推导出重构误差上界;最后,利用Fano不等式及反证法等技巧给出重构误差的信息理论下界,进而证明上界和下界在相差一个对数因子的意义下是最优的.第四章主要研究泊松噪声下基于max-范数方法的张量填充问题.首先类比矩阵max-范数定义给出张量max-范数定义,并根据部分观测建立惩罚对数似然的约束优化模型;其次借助max-范数的对偶范数的不等式、概率不等式等工具,推导出基于张量的重构误差上界;最后,利用Fano不等式等技巧推导出重构误差的信息理论下界.第五章主要利用投影梯度算法验证矩阵填充的结果.基于本文建立的模型,使用投影梯度法,分别通过随机生成数据与图像数据来验证算法具有良好的填充效果.