四芯光纖光柵探針微尺度傳感機(jī)理研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代精密加工制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的大縱橫比微器件的需求日益迫切。然而傳統(tǒng)檢測(cè)手段無(wú)法對(duì)此類產(chǎn)品的加工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，相對(duì)落后的檢測(cè)技術(shù)嚴(yán)重制約了精密加工技術(shù)的發(fā)展。目前，微型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配合新型探針傳感器的測(cè)量手段被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大縱橫比微器件高精度測(cè)量最有效的方法之一。但是，現(xiàn)有探針傳感器在克服遮蔽效應(yīng)、工作空間和接觸力限制、三維測(cè)量以及三維測(cè)量解耦等方面存在問(wèn)題，無(wú)法滿足精密加工對(duì)測(cè)量的需求。
　　本論文針對(duì)上述問(wèn)題，

2、提出了一種應(yīng)用于大縱橫比器件微尺度測(cè)量的四芯光纖光柵探針傳感器，該光纖探針采用獨(dú)特的四芯光纖制作，具有三維測(cè)量與解耦能力，解決了傳統(tǒng)光纖光柵探針不能用于徑向傳感的問(wèn)題。本文對(duì)四芯光纖光柵探針的傳感機(jī)理、傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真方法、傳感器封裝和加工技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，最后實(shí)驗(yàn)測(cè)試了探針傳感器的性能。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.四芯光纖光柵探針傳感機(jī)理研究。建立四芯光纖光柵探針傳感器的測(cè)量模型，分析觸測(cè)與探針傳感器參數(shù)、反射光譜之

3、間嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。采用ANSYS多場(chǎng)耦合仿真軟件分析環(huán)境對(duì)光纖光柵探針的影響，建立隨機(jī)振動(dòng)和流體—固體耦合模型，評(píng)估基座振動(dòng)和空氣流動(dòng)耦合對(duì)探針傳感器穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
　　2.四芯光纖光柵探針傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究。根據(jù)探針傳感器的結(jié)構(gòu)與需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)了四芯光纖光柵探針傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、光學(xué)信號(hào)放大器、基于波長(zhǎng)解調(diào)和光功率解調(diào)的傳感系統(tǒng)，并使用光電系統(tǒng)仿真軟件OptiSystem對(duì)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)。之后，采用改進(jìn)的傳輸陣法仿真分析了探針傳感系統(tǒng)的性能，并且對(duì)基于光功率解調(diào)的探針傳感系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，研究其工作在線性模式下的最佳初始條件。
　　3.四芯光纖光柵探針傳感器封裝工藝、加工技術(shù)研究。實(shí)驗(yàn)研究了腐蝕—耦合法封裝四芯光纖光柵探針傳感器扇出接頭的工藝，使用BeamPROP軟件建立光纖耦合誤差損耗模型，定量地研究了耦合誤差對(duì)耦合效率的影響；在此基礎(chǔ)上，研究飛秒激光加工三維單模光波導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了探針傳感器信道間光信

5、號(hào)的低損耗傳輸。之后，對(duì)準(zhǔn)分子相位掩模法在四芯光纖上加工光纖光柵和熔融法加工光纖探針傳感器球形針尖的技術(shù)進(jìn)行了研究，并完成四芯光纖光柵探針傳感器的制作。
　　4.四芯光纖光柵探針傳感系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先，對(duì)制作完成的探針傳感器進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn)，使探針感器坐標(biāo)系與測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系重合，之后分別對(duì)基于波長(zhǎng)解調(diào)和光功率解調(diào)的探針傳感系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，包括分辨力、穩(wěn)定性、三維測(cè)量解耦特性等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，探針在基于波長(zhǎng)解調(diào)的傳感系統(tǒng)中的徑

6、向靈敏度為6.41 pm/μm，軸向靈敏度為24.87 pm/μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明探針傳感器可以實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量與解耦；優(yōu)化后基于光功率解調(diào)的傳感系統(tǒng)可以工作在線性、靈敏區(qū)，此時(shí)探針的徑向量程為±5μm，分辨力為30 nm，軸向量程為3μm，分辨力為8 nm，探針傳感器1分鐘徑向觸測(cè)穩(wěn)定性為65 nm、軸向觸測(cè)穩(wěn)定性為19 nm，10分鐘徑向觸測(cè)穩(wěn)定性為98 nm、軸向觸測(cè)穩(wěn)定性為28 nm；采用四芯光纖光柵探針傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴注盤(pán)上的一