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薄膜光学微力传感器理论与试验研究

作　者: 荆冬平
导　师: 陆永华
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 光学薄膜 微力传感器 反射式光纤 光强调制 双同心圆型
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


光纤传感技术是实现精密测量的重要手段之一。反射式强度调制型光纤压力传感器灵敏度高、结构简单、造价低廉、抗干扰能力强；另外，光学薄膜具有微力敏感特性，基于此本文设计并研制了一种基于薄膜体的光学微力传感器。该传感器与传统光纤压力传感器相比，利用了薄膜弹性力学和光学的特性，光纤束采用双同心圆型排列，除具有传统光纤传感器的全部优点外，还具有线性度好、精度高、对仪器要求少等优点，具有广阔的工程应用前景。论文对光学薄膜的微力敏感特性以及反射式光纤压力传感器的光强调制特性进行了数学建模以及仿真研究；为实现微力的准确加载，设计并搭建了微力测试平台，微力的获取通过标定过的标准微粒子来实现，由三坐标运动平台驱动微粒夹持器完成微粒的精确定位与加载；光信号经过光电转换和信号处理电路后，在工控机上完成试验数据的处理；运用正交试验法对测试系统进行了微力加载和测量试验研究，标定了传感器的静态特性。通过理论分析以及试验研究发现：光纤探头内外圈接收光纤的光通量比值与薄膜反射面斜率之间的关系曲线第一段具有较好的线性度、灵敏度、以及准确性，适合用作传感器的线性测量区；大半径、厚度小的低弹性模量的薄膜可以改善薄膜的微力敏感特性；发射光纤数值孔径、发射光纤芯径、外圈接收光纤芯径、光纤探头与薄膜初始距离的增加，以及内圈接收光纤芯径的减少，均可提高传感器的灵敏度。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 绪论  13-20
  1.1 课题的研究背景和意义  13-14
    1.1.1 研究背景  13-14
    1.1.2 研究意义  14
  1.2 国内外光纤传感技术的发展概况  14-18
    1.2.1 光纤传感器的发展现状  14-16
    1.2.2 光纤压力传感器的发展现状  16-18
  1.3 本文的主要研究工作  18-19
  1.4 本文的内容安排  19-20
第二章 光强调制数学模型以及光纤特征结构参数分析  20-33
  2.1 微力测量基本工作原理  20-23
    2.1.1 光纤传感器的基本工作原理  20-22
    2.1.2 双同心圆型光纤工作原理  22-23
  2.2 多层同轴型光纤传感器输出特性的建模与仿真  23-32
    2.2.1 输出光通量之比与薄膜反射面斜率的关系  28
    2.2.2 输出光通量之比与发射光纤数值孔径的关系  28-29
    2.2.3 输出光通量之比与发射光纤芯径的关系  29-30
    2.2.4 输出光通量之比与外接收光纤芯径的关系  30
    2.2.5 输出光通量之比与内接收光纤芯径的关系  30-31
    2.2.6 输出光通量之比与光纤端面到薄膜的初始间距的关系  31-32
  2.3 本章小结  32-33
第三章 光学薄膜结构参数设计  33-40
  3.1 目标函数的建立  33-34
  3.2 光学薄膜的有限元模型的建立  34-35
  3.3 正交试验  35-37
  3.4 试验结果分析  37-38
  3.5 误差分析与公式修正  38-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章 测试平台的设计与物理实现  40-50
  4.1 测试平台设计  40-43
  4.2 元器件选型  43-49
    4.2.1 滚珠丝杠选型  45-47
    4.2.2 轴承选型  47-48
    4.2.3 步进电机选型  48-49
    4.2.4 联轴器选型  49
  4.3 本章小结  49-50
第五章 测试平台的点位运动控制以及光电检测的实现  50-60
  5.1 点位运动控制实现  50-54
    5.1.1 直线加减速  51-52
    5.1.2 S 曲线加减速  52-54
  5.2 光电检测系统  54-59
    5.2.1 光源以及光导纤维的特性  54-55
    5.2.2 光探测器以及信号的放大  55-57
    5.2.3 信号的滤波  57-58
    5.2.4 基于工控机的信号采集  58-59
  5.3 本章小结  59-60
第六章 微力传感器的试验研究  60-76
  6.1 测试系统的调试  60
  6.2 标准微粒子的检测试验  60-62
  6.3 结构参数分析  62-67
    6.3.1 薄膜直径对系统输出特性的影响  62-63
    6.3.2 薄膜厚度对系统输出特性的影响  63-65
    6.3.3 薄膜材料对系统输出特性的影响  65-66
    6.3.4 光纤探头到薄膜的初始距离对系统输出特性的影响  66-67
  6.4 试验数据的公式拟合  67-69
  6.5 测量误差分析  69-71
  6.6 传感器静态特性标定  71-75
    6.6.1 传感器的灵敏度  71-72
    6.6.2 传感器的重复性  72-73
    6.6.3 传感器的精度  73-74
    6.6.4 传感器的稳定性  74-75
  6.7 本章小结  75-76
第七章 总结与展望  76-78
  7.1 课题总结  76-77
  7.2 课题展望  77-78
参考文献  78-82
致谢  82-83
在学期间的研究成果及发表的学术论文  83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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