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双光纤耦合瞄准触发传感特性机理研究

作 者: 李磊
导 师: 崔继文
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 双光纤耦合 微深内尺度 端面微结构
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


随着现代精密加工和极端制造工业的发展,对具有高深径比的微内结构特征的产品需求日益迫切。然而对此类结构尺度和形貌的检测精度远不能满足加工的需要,微深内尺度检测已经成为制约精密加工的主要障碍。目前,三坐标测量机配合探针传感器的测量手段被认为是微深内尺度高精度测量最有效的方法之一。对于微内结构测量用的探针,国外技术基本都各成体系,且也都处于研究探索和发展阶段。对于应用于微内结构测量的光纤传感器大多是以解决实际应用问题为主,而对其传感器机理的研究都相对较少,国内在此方面基本处于空白状态。本论文针对应用于微内结构测量的双光纤耦合传感器,对其传感特性进行了深入的理论分析和性能验证,针对其现有的性能缺陷提出了有效的改进手段,并研制了新型的双光纤耦合传感器。论文的主要研究内容如下:1.分析了双光纤耦合传感器的机械传感特性和频率特性。建立了悬臂梁模型,通过模型分析得到了双光纤耦合传感器的传感特性函数和位移放大倍率函数,并分析了提高传感器灵敏度的方法,计算了传感器的理论分辨力为24nm。建立了传感器固有频率模型,并分别对横纵两个方向固有频率进行了分析。同时加工了不同参数结构的双光纤耦合传感器,通过实验验证了其机械传感特性分析的有效性。2.分析了双光纤耦合传感器内部光场分布,通过全尺寸3D-FDTD仿真获得了双光纤耦合传感器内部光能传输特性和影响光能耦合效率的主要因素;并由此建立了光能耦合传输的简化模型,通过优化计算和耦合效率实验得到:当双光纤入射光纤直径与耦合球直径比为0.36~0.48时光能耦合效率较优,为获得具有高光能耦合效率的传感器提供了理论基础。3.通过实验验证了双光纤耦合传感器各项性能,其空间分辨力为40nm,静态输出图像的质心稳定性分别为1.96pixel(X向)和0.57pixel(Y向)。分析了其现有的性能缺陷,并提出了在出射光纤端面加工微结构的方法来改善双光纤耦合传感器的性能。并从理论分析和仿真实验两个方面对光纤端面微结构进行了性能仿真,提出了有效的微结构。4.加工了出射光纤端面微结构并完成了其对光束整形能力的验证实验。使用带有端面微结构的光纤加工了新型双光纤耦合传感器,并对新型传感器性能进行了测试,其静态输出图像的质心稳定性分别为0.40pixel和0.39pixel,较之前分别提升390%和46%;其空间分辨力为30nm,较之前提升33%,进而证明了新型双光纤耦合传感器性能的提升。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-23
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  11-13
  1.2 微深内尺寸测量理论的研究现状  13-22
    1.2.1 微内尺寸测量的要求  13-14
    1.2.2 深内尺寸测量技术与方法国内外研究现状  14-21
    1.2.3 深内尺寸测量方法总结与本课题意义  21-22
  1.3 课题研究主要内容  22-23
第2章 双光纤耦合传感器传感特性分析与验证  23-45
  2.1 引言  23
  2.2 双光纤测头悬臂梁模型  23-25
  2.3 微孔测量中双光纤共球耦合测头形态分析  25-26
  2.4 测头触壁过程挠曲变形分析  26-29
  2.5 触测力分析  29-30
  2.6 探针频率分析模型建立  30-31
  2.7 传感器固有频率分析  31-33
    2.7.1 双光纤测头纵向固有频率  31-32
    2.7.2 双光纤测头横向固有频率  32-33
  2.8 双光纤共球耦合传感器频率特性仿真实验  33-34
  2.9 传感器特性验证实验  34-44
    2.9.1 双光纤测头制作  34-41
    2.9.2 触测特性验证实验  41-44
  2.10 本章小结  44-45
第3章 双光纤耦合传感器内部光场分布分析  45-60
  3.1 引言  45
  3.2 单模光纤的模场  45-49
    3.2.1 单模光纤的模场分析  45-47
    3.2.2 单模光纤的一维模场分布  47-48
    3.2.3 单模光纤的二维、三维模场分布  48-49
  3.3 双光纤共球耦合场的数学模型  49-50
  3.4 双光纤共球耦合内部场能分布数值仿真  50-53
    3.4.1 3D-FDTD 双光纤共球耦合模型仿真  50-52
    3.4.2 2D-FDTD 双光纤共球耦合光能传输效率仿真  52-53
  3.5 光能耦合传输效率优化计算  53-57
  3.6 光能耦合效率验证实验  57-59
  3.7 本章小结  59-60
第4章 出射光纤端面微结构设计  60-72
  4.1 引言  60
  4.2 双光纤共球耦合传感器性能制约瓶颈  60-64
    4.2.1 双光纤共求耦合传感器瞄准触发原理  60-61
    4.2.2 传感器采样中的延时误差  61-62
    4.2.3 双光纤共球耦合传感器输出图像质量分析  62-63
    4.2.4 双光纤共球耦合传感器空间分辨力分析  63-64
  4.3 出射光纤端面微结构设计理论准备  64-68
    4.3.1 无衍射光束——贝塞尔光束  64-65
    4.3.2 贝塞尔光束的物理实现  65-68
  4.4 出射光纤端面微结构仿真  68-71
    4.4.1 基于 FDTD 的端面结构仿真  68-69
    4.4.2 基于 Virtual Lab 的端面结构仿真  69-71
  4.5 本章小结  71-72
第5章 新型双光纤传感器性能验证实验  72-84
  5.1 引言  72
  5.2 端面微结构加工  72-73
  5.3 端面微结构对光束的整形效果  73-79
    5.3.1 WT&T 光纤微结构测试结果  73-76
    5.3.2 光束整形实验  76-79
  5.4 新型双光纤共球耦合传感器实验  79-83
    5.4.1 新型传感器静态输出稳定性实验  79-81
    5.4.2 新型传感器分辨力实验  81-83
  5.5 本章小结  83-84
结论  84-86
参考文献  86-90
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果  90-92
致谢  92

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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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