四芯光纤光栅探针微尺度传感机理研究

摘要

随着现代精密加工制造业的发展，对具有复杂微结构的大纵横比微器件的需求日益迫切。然而传统检测手段无法对此类产品的加工质量进行评价，相对落后的检测技术严重制约了精密加工技术的发展。目前，微型三坐标测量机配合新型探针传感器的测量手段被认为是实现大纵横比微器件高精度测量最有效的方法之一。但是，现有探针传感器在克服遮蔽效应、工作空间和接触力限制、三维测量以及三维测量解耦等方面存在问题，无法满足精密加工对测量的需求。
　　本论文针对上述问题，提出了一种应用于大纵横比器件微尺度测量的四芯光纤光栅探针传感器，该光纤探针采用独特的四芯光纤制作，具有三维测量与解耦能力，解决了传统光纤光栅探针不能用于径向传感的问题。本文对四芯光纤光栅探针的传感机理、传感系统设计、仿真方法、传感器封装和加工技术进行了深入的研究，最后实验测试了探针传感器的性能。论文的主要研究内容如下：
　　1.四芯光纤光栅探针传感机理研究。建立四芯光纤光栅探针传感器的测量模型，分析触测与探针传感器参数、反射光谱之间严格的数学关系。采用ANSYS多场耦合仿真软件分析环境对光纤光栅探针的影响，建立随机振动和流体—固体耦合模型，评估基座振动和空气流动耦合对探针传感器稳定性的影响，验证探针结构设计的合理性。
　　2.四芯光纤光栅探针传感系统设计与仿真研究。根据探针传感器的结构与需要实现的功能，设计了四芯光纤光栅探针传感系统，包括宽带光源、光学信号放大器、基于波长解调和光功率解调的传感系统，并使用光电系统仿真软件OptiSystem对传感系统进行了优化设计。之后，采用改进的传输阵法仿真分析了探针传感系统的性能，并且对基于光功率解调的探针传感系统进行建模与仿真，研究其工作在线性模式下的最佳初始条件。
　　3.四芯光纤光栅探针传感器封装工艺、加工技术研究。实验研究了腐蚀—耦合法封装四芯光纤光栅探针传感器扇出接头的工艺，使用BeamPROP软件建立光纤耦合误差损耗模型，定量地研究了耦合误差对耦合效率的影响；在此基础上，研究飞秒激光加工三维单模光波导技术，实现了探针传感器信道间光信号的低损耗传输。之后，对准分子相位掩模法在四芯光纤上加工光纤光栅和熔融法加工光纤探针传感器球形针尖的技术进行了研究，并完成四芯光纤光栅探针传感器的制作。
　　4.四芯光纤光栅探针传感系统的性能测试实验。首先，对制作完成的探针传感器进行姿态校准，使探针感器坐标系与测量系统坐标系重合，之后分别对基于波长解调和光功率解调的探针传感系统进行了性能测试，包括分辨力、稳定性、三维测量解耦特性等。实验结果显示，探针在基于波长解调的传感系统中的径向灵敏度为6.41 pm/μm，轴向灵敏度为24.87 pm/μm，实验结果可以证明探针传感器可以实现三维测量与解耦；优化后基于光功率解调的传感系统可以工作在线性、灵敏区，此时探针的径向量程为±5μm，分辨力为30 nm，轴向量程为3μm，分辨力为8 nm，探针传感器1分钟径向触测稳定性为65 nm、轴向触测稳定性为19 nm，10分钟径向触测稳定性为98 nm、轴向触测稳定性为28 nm；采用四芯光纤光栅探针传感器对发动机喷注盘上的一个微孔进行了测量并对测量结果的不确定度进行评估，结果显示被测微孔直径为267.3μm，k=2时的测量扩展不确定度为0.4μm。
　　本文的研究成果解决了现有微尺度测量中探针传感器存在的问题，为微尺度测量提供了新思路。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

1.2 微尺寸测量理论的研究现状

1.3 课题的主要研究内容

第2章 四芯光纤光栅探针传感机理分析

2.1 引言

2.2 四芯光纤光栅探针传感器悬臂梁模型

2.3 四芯光纤光栅探针传感器的测量模型

2.4 四芯光纤光栅探针传感器特性分析

2.5 外界环境对四芯光纤光栅探针的影响

2.6 本章小结

第3章 探针传感器测量系统设计及仿真分析

3.1 引言

3.2 四芯光纤光栅探针传感器微尺度测量系统设计

3.3 探针传感器测量系统的仿真分析

3.4 本章小结

第4章 实验研究探针传感器封装和加工技术

4.1 引言

4.2 腐蚀—耦合法封装四芯光纤光栅探针传感器

4.3 飞秒激光器加工三维光波法封装四芯光纤光栅探针传感器

4.4 四芯光纤光栅的刻写技术

4.5 四芯光纤光栅探针传感器球形针尖的加工技术

4.6 本章小结

第5章 四芯光纤光栅探针传感系统的性能测试实验

5.1 引言

5.2 基于波长解调的四芯光纤光栅探针传感系统的性能测试

5.3 基于光功率解调的四芯光纤光栅探针传感系统的性能测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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