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(duì)具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的零件需求日益迫切,然而對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)中微尺度的檢測(cè)精度仍不能滿足精密加工的要求,從而阻礙了其更進(jìn)一步的發(fā)展。目前,坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合探針式微位移傳感器的測(cè)量方法被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)微尺度高精度測(cè)量最有效的方法之一。而坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的定位精度已經(jīng)達(dá)到了納米量級(jí),因此探針式微位移傳感器的性能成為了限制微尺度測(cè)量精度進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素,如何設(shè)計(jì)出高性能的探針式微位移傳感器已經(jīng)成為了微尺度測(cè)量領(lǐng)域中的關(guān)鍵問(wèn)題。

2、　　本文將光纖布拉格光柵用于微尺度測(cè)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(shè)計(jì)相應(yīng)的微位移傳感器,最后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),對(duì)傳感器的性能進(jìn)行驗(yàn)證。主要的研究?jī)?nèi)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(jié)構(gòu)。為了消除外界環(huán)境溫度變化對(duì)微位移檢測(cè)的影響,在基本結(jié)構(gòu)中利用參考FBG法加入溫度補(bǔ)

3、償環(huán)節(jié),從而消除溫度變化對(duì)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(yīng)用材料力學(xué)理論分析微位移檢測(cè)中,微位移造成的應(yīng)力對(duì)光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,根據(jù)應(yīng)力的分布情況提出不同于傳統(tǒng)光纖布拉格光柵探針結(jié)構(gòu)的高分辨力雙光纖布拉格光柵探針模型。對(duì)探針在發(fā)生微位移時(shí),光纖布拉格光柵的柵距和光纖纖芯的折射率變化進(jìn)行理論分析,推導(dǎo)出微位移對(duì)光纖布拉格光柵反射光波中心波長(zhǎng)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(duì)微位移與光纖光柵中心波長(zhǎng)變化的規(guī)律進(jìn)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(guò)對(duì)比寬頻光源的四種基本結(jié)構(gòu)并分析各自的性能,選擇具有更高輸出功率、更好波長(zhǎng)穩(wěn)定性以及更大線寬的雙程后向結(jié)構(gòu)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(zhǎng)是1540nm,最后通過(guò)摻鉺光纖的長(zhǎng)度和泵浦光的功率對(duì)雙程后向結(jié)

5、構(gòu)的寬頻光源做了進(jìn)一步的優(yōu)化,得到當(dāng)摻鉺光纖長(zhǎng)度為12m,泵浦光功率為100mW時(shí),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(cè)頭,對(duì)傳感器的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不具有溫度補(bǔ)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(bǔ)償?shù)腇BG微位移傳感器的穩(wěn)定性為0.006,驗(yàn)證了溫度補(bǔ)償具有較好的抑制溫度對(duì)傳感器性能影響的作用。對(duì)傳感器的靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果表明,在2