基于四芯锥形相移光纤光栅的三维微尺度传感方法

发布时间：2020-09-25 16:50

　　 在核心器件的复杂曲面上设计并制造三维微细结构已经成为现今尖端装备制造业的重要发展趋势。例如,在航空发动机涡轮叶片的复杂曲面上分布有数量众多的气膜孔,直径介于Φ300μm~Φ500μm,设计要求这些气膜孔具有前向扩张和月牙等特定的三维结构,而且微孔轴线与叶片曲面法线间的方位关系精确。在航空发动机燃料喷注系统中,燃料微喷孔分布在倾角不同的同心环道上,最小直径可达Φ200μm,最大深度可达2mm,而且,10%的制造误差将导致最大推力下降约17%。制造精密三维微结构,首先要解决三维微尺度传感问题。然而,现有的微尺度传感方法存在可测深宽比低、不具备稳定的三维传感能力和传感链复杂的问题,难以满足尖端装备制造业中三维微结构的测量需求。因此,急需一种能够直接而准确地评价微结构制造结果的传感方法。本课题“基于四芯锥形光纤光栅的三维微尺度传感方法”针对上述问题,旨在为微尺度传感技术提供一种可测深宽比高、传感链短、测量精度高的三维微尺度传感方法,同时对该方法进行原理分析,在此基础上搭建微尺度传感系统并进行实验验证。论文主要研究内容为:针对测量深宽比低和三维传感方面的问题,提出一种基于四芯锥形光纤光栅的微尺度传感方法。该方法直接以四芯锥形光纤光栅变形感知三维触测位移,将其应变转化为光纤光栅的光谱变化,并通过在光纤光栅中设置相移点并对其精细光谱进行探测,降低了探针锥度引起的光谱信号扭曲,进而提高微尺度传感精度,依据上述原理和方法建立了该传感方法的理论模型。分析结果表明,传感方法具备稳定的三维传感能力。相移点能抑制光谱信号扭曲,可以显著降低中心波长偏差。而且,锥型结构在对灵敏度影响较小的同时,能够达到扩展最小可测尺度的目的。针对构建四芯锥形相移光纤光栅结构的难题,提出一种基于自组装原理的四芯锥形光纤光栅探针的制备方法。该方法利用固/液系统在表面能极小值状态稳定的原理,借助外约束,使小于临界长度的四根锥形光纤自发组装成正方形规则阵列。据此建立了完整的理论模型,分析了形成正方形规则阵列结构的条件以及影响自组装速度和探针传感性能的因素,完成了光纤长度、直径和紫外胶参数的优化。在此基础上,研究了锥形光纤腐蚀和四芯锥形光纤光栅探针自组装的制备工艺。该方法可用于制备长度3mm~8mm、针尖直径小于Φ100μm的探针。而且,与直接使用四芯光纤制备探针相比,结构设计不再受限制,可将光谱信号边模抑制比由1dB提升至10dB,反射率由10%提升至75%,信号损耗由1dB~5dB降低至0.2dB。针对复杂传感链限制进一步提升测量精度的问题,提出一种基于光电等效滤波探针的信号解调方法。该方法将电学滤波器转换为窄带宽、宽范围且快速可调的等效光谱滤波器,可以直接将相移光纤光栅的精细光谱信号解调为触测位移。通过建立信号解调模型,研究影响光谱分析功率准确度和分辨力的因素,优化了电学滤波器参数和本振光扫频速度。实验结果表明,光谱分辨力可达48fm,功率不准确度低于2.1%,能更清晰地分辨探针中相移光纤光栅带宽为3.4pm的精细光谱信号。最后,通过搭建实验系统,验证了自组装探针制备方法和光电等效滤波探针信号解调方法的可行性。在此基础上,测试了微尺度传感系统的性能,实验结果表明,相移点对锥形探针的光谱信号扭曲具有显著的抑制作用,当锥度达到2.04:1时,可将光谱扭曲引起的信号中心波长偏差由9pm降低至0.45pm,而且灵敏度相比于同直径的圆柱光纤光栅探针高37%。该传感系统的三维触测位移分辨力可达30nm,三维触测重复性可达31nm。标准微深孔直径和量块“阶梯”高度测量实验结果显示,微尺度传感系统的径向和轴向测量不确定度可达U=0.31μm,k=2。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74;TP212
【部分图文】：

图 2-6 锥形光纤轴向传感仿真 Simulation on tapered fiber sensing axial disp示的结果，垂直于探针 y 轴的各个截面 FBG 所受应力相同，即在探针内的四锥度k 情况下，光纤探针的归一化分布

2-8 轴向稳定压缩的临界位移与直径和锥度的关ip among critical stable compressing axial displactapered探针杆自由端直径、锥度与轴向稳定压缩探针直径和锥度，探针的轴向稳定压轴向测量的需要。而且，通过分析还可以下，增加探针锥度可以提高探针轴向测量接触力分析光栅探针与待测零件接触而发生挠曲，进触区域的应力超过材料塑性变形的极限，，待测零件表面的塑性变形会破坏待测零的塑性变形会影响探针后续测量的精度。接触属于曲面点接触，根据 Hertz 接触理径有如下关系[66]：*3a 3 FR 4E

2-16 不同直径探针的径向触测位移输出曲rves of phase-shift FBG probes of different didisplacements锥度对位移灵敏度的影响。图 2-17 (a)和与径向和轴向位移的关系曲线，其中、自由端直径为 250μm 至 150μm。可

【参考文献】

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本文编号：2826817