光纤布拉格光栅三维测头的设计和研制

摘要

测头是三坐标测量机的重要部分，随着科技的发展，特别是三坐标测量机应用的范围越来越广，测头的发展也越来越迅速。本文在国家自然科学基金专项资助项目“基于免形状测量原理的复杂形状测量仪”(项目编号：50627501)的支持下，研制一种分辨力高，测量力小，测端直径小的三维触发式测头。 本课题主要从测头的结构及传感系统展开研究。测头结构上采用悬丝和三分叉支架组成的柔性支撑结构。这种结构具有阻力小，质量轻的优点，能有效的减小测量力，也有利于采用直径较小的测针。测头传感系统采用光纤布拉格光栅FBG作为传感元件。FBG作为传感器具有灵敏度高，抗干扰能力强的优点，能有效的提高测头系统的分辨力。在支架三分叉的端部和支架顶部的支撑圈之间安装FBG传感器，当测杆偏摆时，通过测杆、支架和悬丝组成的柔性支撑系统把测杆的偏摆传递到FBG上，通过匹配光栅的解调方式，得出测头触发信号。 本文对测头的关键参数进行标定，结果为：测头结构复位性精度小于20nm，测头传感系统重复性为0.2mV，测头分辨力最高达50nm，测力小于5mN，这与拟定的参数吻合。

目录

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2测头的发展演变

1.3触发式测头的研究现状

1.3.1 Renishaw公司提供的测头

1.3.2 TUE微测头

1.3.3 NPL微测头

1.3.4 METAS三维测头

1.4课题来源与意义

1.5本课题的主要任务

1.6本章小结

第二章 光纤布拉格光栅传感原理

2.1光纤布拉格光栅发展概述

2.2光纤布拉格光栅原理

2.3光纤布拉格光栅解调方法

2.3.1干涉法

2.3.2滤波法

2.3.3匹配光纤布拉格光栅调谐滤波解调

2.4光纤布拉格光栅传感技术应用

2.4.1光纤布拉格光栅的应用领域及一般特性

2.4.2光纤布拉格光栅在一维测头上的应用

第三章测头结构设计

3.1复杂形状测量仪测头系统的设计要求

3.2测头结构设计

3.2.1测头结构原理

3.2.2测头支撑结构的设计及制作过程

3.2.3限位机构的设计

3.2.2光纤布拉格光栅(FBG)的安装

3.2.4测头整体结构安装

3.3测头结构分析

3.3.1测杆受力变形分析

3.3.2测头支撑系统的刚度分析

第四章 传感系统设计

4.1传感系统设计

4.1.1光纤布拉格光栅FBG传感系统关键问题

4.1.2传感方案的初步设想

4.1.4传感系统组成及原理

4.1.5传感系统组成各部分介绍

4.2光纤熔接技术及设备

4.2.1光纤熔接技术

4.2.2光纤熔接工具介绍

4.3数据采集及处理系统

4.3.1数据采集及处理系统的关键问题

4.3.2数据采集及处理系统的软件和硬件介绍

4.3.3数据采集系统介绍

第五章 测头关键参数测定

5.1实验中用到的主要仪器

5.1.1微型三光束平面镜干涉仪SP-TR系列

5.1.2 PI串联三维纳米定位系统

5.2结构复位性测量

5.2.1实验方法介绍

5.2.2实验结果分析

5.3传感系统复位性及重复性

5.4测头分辨力实验

5.4.1实验系统及实验方法介绍

5.4.2水平方向分辨力实验结果

5.4.3垂直方向分辨力实验结果

5.5测量力实验结果

第六章 测头误差来源分析

6.1测头结构误差

6.1.1测力引起的测杆、支架的变形

6.1.2测力的方向

6.2传感系统的误差

6.2.1传感系统原理误差

6.2.2传感系统安装误差

6.2.3温度对传感系统的影响

6.3测量带来的误差

第七章 总结和展望

7.1研究总结

7.2研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果