石英摆线微应变驱动设计

发布时间：2020-03-22 02:02

【摘要】：随着仪器精密程度的不断提高,外部环境的振动噪声对仪器精度的影响越来越大,隔微振技术已经成为限制仪器精度进一步提升的瓶颈。因此,作为超精密测量/测试仪器和超精密加工设备的核心技术之一,研发先进的超低频隔微振技术与装置迫在眉睫。大科学工程中的若干系统,例如引力波探测、暗物质探测、强磁场和脉冲星形成研究等均需要一个良好的低振动环境保障。其中,引力波探测的主要困难在于被测信号与环境振动噪声相比,显得特别微弱,因此对环境振动的隔离提出了非常高的要求,特别是地面振动的影响。单摆作为最简单的水平隔振系统,是激光干涉引力波探测器(LIGO)中不可缺少的部分,针对引力波探测仪对环境振动减弱或隔离的迫切需求,本课题研究了一种基于超磁致伸缩材料与石英材料复合的摆线微应变悬挂系统。课题的基本思想和主要工作如下:本文首先介绍了复合摆线微应变驱动系统中各部分及整体的工作原理,驱动系统主要包含用作单摆主体的光纤光栅、超磁致伸缩材料薄膜以及磁场驱动器GMA。文中详细论述了应力和温度分别对光纤光栅的栅距与有效折射率的影响、超磁致伸缩材料的磁机相互转化原理、复合摆线在磁场下产生应变的原理,对GMA内部磁场进行了理论计算、MATLAB一维仿真及COMSOL三维仿真。然后研究了如何放大复合摆线的应变且尽可能保证良好的机械性能。设计了四种光纤表面的微结构,分别对四种结构的灵敏度放大系数的理论值进行了计算和仿真,并用ANSYS对四种结构的机械性能进行了仿真,综合分析不同结构的放大特性和机械性能,选择出了合适的微结构。其次通过飞秒激光对光纤表面进行了微结构的加工,并通过实验验证了微加工没有对光纤的栅区部分造成损伤,即加工没有损害光纤光栅的应变敏感性;用磁控溅射的方法将超磁致伸缩材料和光纤复合,找到了合适的镀膜条件,并通过悬臂梁法测量了所镀薄膜的磁致伸缩系数曲线。文章最后搭建了摆线微应变的驱动系统,并做了一系列实验。首先验证了含微结构的摆线对灵敏度的改善效果,实验测得对磁场的灵敏度改善了27.58%;测量并拟合了复合摆线应变与磁场的关系,应变大小与磁场改变量比值为(35)?(35)B=0.18nm/m T;验证了复合摆线在磁场下的磁滞特性;通过台阶实验,测得复合摆线应变对磁场的分辨力为9.729m T,对应的应变大小为1.18nm;通过输入不同的时变磁场,研究了复合摆线应变的相位滞后以及频率特性;最后实验测得系统的稳定性为18.3nm。
【图文】：

原理图,绝对重力仪,原理图

图 1-2 FG-5 绝对重力仪原理图[22]Kuo-Jung Lan 和美国 NIST 的 John A. Kr了一种六自由度的主动隔振系统，在其的分辨率（轴向分辨率可达 0.8nm），振测量速度也相应有了极大的改善[23-25]。al Pre-Isolator)这种 6 自由度的主动隔振系悬挂镜子的 2 个常见振动噪声频段：0.1H起的 1Hz-3Hz 振动噪声频段[26]。和主动隔振，还有些领域用到了主被动隔振，指的是利用大承载、低刚度的被器和传感器构成闭环控制抑制振动。M.平方向和垂直方向的被动隔振系统，对离[27]。LIGO 中采用的隔振平台里对于隔振系统[28,29]。料与光纤的耦合方式研究现状

双光栅,双基

使用光纤光栅可以将长度变化转化为反射的波长的改变），，驱动光纤长度变化的同时，还能实现对这个变化大小的监测。磁致伸缩材料和光纤的耦合方式对应变的传递率有一定的影响式所适用的场合也不同，目前文献报道的耦合方式主要有直接覆式等。接粘贴式磁致伸缩材料可以通过晶体生长的方式成型成块状，直接粘贴用特殊的胶将光纤粘贴在超磁致伸缩材料表面，超磁致伸缩材光纤胶传递给光纤。00 年 J. Mora 等人设计将一根刻有两段光栅的光纤粘贴在包含热膨胀系数的合金上，这两段合金其中一个是磁弹性较大的超 Monel-400，另一个非磁性材料，这两段合金直径高度都相同端面接在一起，光纤光栅的两段栅区分别被站在两个合金柱上属两段栅区的作用是实现温度的补偿[32]，如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH703

【参考文献】