基于光纤SPR的可方向识别多维微位移传感器

作     者：石晨 

作者单位：重庆三峡学院 

学位级别：硕士

导师姓名：魏勇

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：光纤SPR微位移 高位移灵敏度 多维微位移传感 可方向识别微位移 光纤微位移传感 

摘      要：微位移测量是精密机械加工的基础,是制造行业中影响制造精度的决定性因素。其中光纤SPR（表面等离子体共振）微位移传感器具有灵敏度高、微型化、分辨力高、对环境要求小等优势,近年来被广泛研究。但是,现已提出的光纤SPR微位移传感器都仅是对一维微位移传感进行的研究,尚未实现多维微位移传感或方向识别功能,若在需要多维微位移传感时,将多套一维位移传感器叠加使用,存在成本高的问题,且在光纤传感器有优势的狭小空间测量领域,不好放置。此外,微位移传感具备可方向识别功能是精密定位的关键。 本论文针对需求较多的多维微位移传感及可方向识别功能需求,开展光纤SPR多维可方向识别微位移传感器研究。主要研究内容包括以下几个方面: （1）光纤SPR可方向识别多维微位移传感的理论研究:以传统光纤SPR微位移传感理论为基础,对光纤SPR微位移传感器的位移光纤和传感光纤分别进行了理论仿真建模和位移传感机理分析,传感光纤可控制SPR共振波长移动方向实现微位移传感器方向识别功能,位移光纤可控制不同出射光束实现多维微位移传感。 （2）针对光纤SPR微位移传感器无可方向识别功能,无法实现精密定位传感的问题,提出了基于光纤V槽的高灵敏度一维可方向识别SPR微位移传感器研究:本文设计并制作了基于光纤V槽的高灵敏度可方向识别SPR微位移传感器,利用CO激光器在渐变多模传感光纤上加工V槽,微位移方向不同时,分别接触不同的V槽,通过共振波长的移动方向实现微位移方向的识别。该传感器大幅提升了光纤SPR微位移检测灵敏度,可识别微位移方向,在精密位移与定位领域有潜在应用价值。 （3）针对光纤SPR微位移传感器无二维微位移传感,若在需要二维微位移传感,需将两套一维位移传感器叠加使用,存在狭小空间测量领域不好放置的问题。提出了同轴双波导级联渐变多模光纤的光纤SPR二维位移传感器:将同轴双波导与四分之一周期长度的渐变多模光纤熔接,获得两种不同形态出射光场。同轴双波导环形芯发出喇叭状光场,可配合传感光纤实现X轴方向微位移传感,同轴双波导中间芯发出直光束,可配合传感光纤实现Y轴方向微位移传感。该微位移传感器,实现了光纤SPR微位移传感器的二维位移传感,可广泛用于二维微位移测量及二维位置精密定位领域。 （4）为同时解决光纤SPR微位移传感器无可方向识别和多维微位移传感的问题,提出了基于光纤SPR的可方向识别三维微位移传感器研究:本文提出基于光纤SPR的三维位移传感器,由位移光纤和传感光纤组成。偏双芯光纤与渐变多模光纤级联,构成位移光纤。在渐变多模光纤的垂直方向和水平方向上分别加工V槽,并制作斜面SPR传感区,构成传感光纤。位移光纤中间芯发出直光束,在传感光纤垂直V槽斜面传感区实现Y轴（上下）方向微位移传感,在传感光纤水平V槽斜面传感区实现Z轴（前后）方向微位移传感。位移光纤偏芯发出斜光束,配合传感光纤实现X轴（左右）方向的微位移传感。该传感器单个即可实现三维微位移传感,有望用于三维微位移测量及三维空间精密定位领域。 相比于目前现有的光纤SPR微位移传感器,本论文设计的微位移传感器不仅制作方法简单,成品率高,且能够实现可方向识别的多维微位移传感。该微位移传感器可以用于狭窄领域的精密多维位移测量及多维定位领域。