光纤传感器形貌测量系统优化设计研究

发布时间：2020-07-04 20:10

【摘要】：表面形貌是指表面存在连续凹凸不平的微观几何形状,它在很大程度上影响并决定零件的使用性能,这种影响存在于机械、集成电路、生物医学和光学等诸多领域。合理有效的评价表面形貌对表面加工质量和保证产品性能具有非常重要的理论意义。反射式强度调制型光纤传感器(RIM-FOS)具有非接触式、结构简单、设计灵活等优点,被广泛应用于位移、表面形貌、粗糙度等物理量的测量。利用反射式强度调制型光纤传感器对表面形貌进行测量,论文从建立光强模型、传感器结构优化设计、实验及结果分析和形貌测量系统的优化等几个方面进行了深入的研究。根据RIM-FOS的基本工作原理和基于高斯分布的出射端的光场分布,建立了双圈同轴型光纤传感器的数学模型。提出了一种外圈接收光纤倾斜的双圈同轴型光纤传感器的新结构,并利用粒子群算法对倾斜角度进行了优化。完成了形貌测量系统的搭建,实现了测量系统的基本功能。对反射式光纤传感器进行了校准和标定,得出了输入输出特性曲线,并对传感器的性能进行了分析。验证了所建立的光纤传感器的数学模型的可行性。分析了影响测量系统精度的因素,包括环境光、振动和反射系数等的影响。分别从提高激光器和发射光纤的耦合效率、光强补偿方面对光路系统进行了优化,最后利用基于关系矩阵的统计加权数据融合算法对光电探测器的噪声和光源波动引起的系统误差进行了补偿,该算法能够更为精准的还原被测工件的表面三维形貌。本文验证了反射式强度调制型光纤传感器的测量模型,从光纤传感器的结构、光源与光纤传感器的耦合方式、光路补偿以及优化表面数据的数据融合算法四个方面对表面形貌测量系统进行了设计优化,并进行了仿真实验和形貌测量等相关实验,得到了比较理想的实验结果,验证了测量系统的性能。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248;TP212
【图文】：

光场,高斯分布,光强调制,光场分布

Cbdd发射光纤接收光纤α图 2.1 反射式光纤传感器测量表面形貌原理图2.2 发射光纤纤端出射光场分析对 RIM-FOS 来说光强调制函数是其进行测量的理论基础，而光强调制函数又是在发射光纤出射端光场分布模型上建立的。因此首先对光场模型进行分析十分必要。研究者们提出了多种不同的发射纤端的光场分布假设，主要包括均匀分布[55, 56]、圆台分布

单光纤,光强,调制特性,学位论文

中北大学学位论文耳界面反射系数，在玻璃和空气交界面时取时，发射光纤和反射面的距离 d 越来越大，纤接收到的光强越来越弱，接收的光强随 wp222+r2 2 2-r / w(2d)0 22w(2d)s2(1 - C)P r + p - rP = e arccos( )rdπw(2d) 2pr 单光纤对的调制特性函数可以表示为：p0p -2222+r2 2 2-r / w(2d)22rs2(1 - C)r + p - rP = e arccos( )rπw(2d) 2prPP 真可以得到单光纤对的调制特性曲线：

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