基于光纖布拉格光柵的微尺度傳感方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代精密加工工業(yè)的發(fā)展,對具有微細結構的零件需求日益迫切,然而對微細結構中微尺度的檢測精度仍不能滿足精密加工的要求,從而阻礙了其更進一步的發(fā)展。目前,坐標測量機結合探針式微位移傳感器的測量方法被認為是實現(xiàn)微尺度高精度測量最有效的方法之一。而坐標測量機的定位精度已經(jīng)達到了納米量級,因此探針式微位移傳感器的性能成為了限制微尺度測量精度進一步提高的關鍵因素,如何設計出高性能的探針式微位移傳感器已經(jīng)成為了微尺度測量領域中的關鍵問題。

2、　　本文將光纖布拉格光柵用于微尺度測量方法中的探針式微位移傳感器,建立完整的光纖受力分析和光纖光柵仿真體系,分析微位移作用下光纖布拉格光柵的柵距變化和纖芯折射率分布,并設計相應的微位移傳感器,最后進行相應的實驗,對傳感器的性能進行驗證。主要的研究內容包括以下幾部分:
　　1.根據(jù)光纖布拉格光柵的傳感原理提出基于光纖布拉格光柵的微位移傳感器的基本結構。為了消除外界環(huán)境溫度變化對微位移檢測的影響,在基本結構中利用參考FBG法加入溫度補

3、償環(huán)節(jié),從而消除溫度變化對微位移傳感器的影響。
　　2.建立傳感器探針的受力分析模型,應用材料力學理論分析微位移檢測中,微位移造成的應力對光纖布拉格光柵結構參數(shù)的影響,根據(jù)應力的分布情況提出不同于傳統(tǒng)光纖布拉格光柵探針結構的高分辨力雙光纖布拉格光柵探針模型。對探針在發(fā)生微位移時,光纖布拉格光柵的柵距和光纖纖芯的折射率變化進行理論分析,推導出微位移對光纖布拉格光柵反射光波中心波長的變化規(guī)律,并根據(jù)光纖布拉格光柵的柵距和光纖纖芯的折射

4、率變化利用傳輸陣法對微位移與光纖光柵中心波長變化的規(guī)律進行仿真。在光譜分析儀的分辨力為0.01nm的情況下,傳感器理論分辨力為15nm;在歸一化光功率的分辨力為1‰的情況下,理論分辨力為5nm。
　　3.通過對比寬頻光源的四種基本結構并分析各自的性能,選擇具有更高輸出功率、更好波長穩(wěn)定性以及更大線寬的雙程后向結構作為傳感器的光源。由于在傳感器中所使用的FBG的中心波長是1540nm,最后通過摻鉺光纖的長度和泵浦光的功率對雙程后向結

5、構的寬頻光源做了進一步的優(yōu)化,得到當摻鉺光纖長度為12m,泵浦光功率為100mW時,寬頻光源1540nm附近波段的光譜平坦且功率較高。
　　4.制作雙光纖布拉格光柵測頭,對傳感器的溫度穩(wěn)定性進行測試,實驗結果表明不具有溫度補償?shù)腇BG微位移傳感器的穩(wěn)定性為0.052(峰峰值),而具有溫度補償?shù)腇BG微位移傳感器的穩(wěn)定性為0.006,驗證了溫度補償具有較好的抑制溫度對傳感器性能影響的作用。對傳感器的靜態(tài)穩(wěn)定性進行檢測的結果表明,在2