【摘要】：隨著儀器精密程度的不斷提高,外部環(huán)境的振動噪聲對儀器精度的影響越來越大,隔微振技術(shù)已經(jīng)成為限制儀器精度進一步提升的瓶頸。因此,作為超精密測量/測試儀器和超精密加工設(shè)備的核心技術(shù)之一,研發(fā)先進的超低頻隔微振技術(shù)與裝置迫在眉睫。大科學(xué)工程中的若干系統(tǒng),例如引力波探測、暗物質(zhì)探測、強磁場和脈沖星形成研究等均需要一個良好的低振動環(huán)境保障。其中,引力波探測的主要困難在于被測信號與環(huán)境振動噪聲相比,顯得特別微弱,因此對環(huán)境振動的隔離提出了非常高的要求,特別是地面振動的影響。單擺作為最簡單的水平隔振系統(tǒng),是激光干涉引力波探測器(LIGO)中不可缺少的部分,針對引力波探測儀對環(huán)境振動減弱或隔離的迫切需求,本課題研究了一種基于超磁致伸縮材料與石英材料復(fù)合的擺線微應(yīng)變懸掛系統(tǒng)。課題的基本思想和主要工作如下:本文首先介紹了復(fù)合擺線微應(yīng)變驅(qū)動系統(tǒng)中各部分及整體的工作原理,驅(qū)動系統(tǒng)主要包含用作單擺主體的光纖光柵、超磁致伸縮材料薄膜以及磁場驅(qū)動器GMA。文中詳細(xì)論述了應(yīng)力和溫度分別對光纖光柵的柵距與有效折射率的影響、超磁致伸縮材料的磁機相互轉(zhuǎn)化原理、復(fù)合擺線在磁場下產(chǎn)生應(yīng)變的原理,對GMA內(nèi)部磁場進行了理論計算、MATLAB一維仿真及COMSOL三維仿真。然后研究了如何放大復(fù)合擺線的應(yīng)變且盡可能保證良好的機械性能。設(shè)計了四種光纖表面的微結(jié)構(gòu),分別對四種結(jié)構(gòu)的靈敏度放大系數(shù)的理論值進行了計算和仿真,并用ANSYS對四種結(jié)構(gòu)的機械性能進行了仿真,綜合分析不同結(jié)構(gòu)的放大特性和機械性能,選擇出了合適的微結(jié)構(gòu)。其次通過飛秒激光對光纖表面進行了微結(jié)構(gòu)的加工,并通過實驗驗證了微加工沒有對光纖的柵區(qū)部分造成損傷,即加工沒有損害光纖光柵的應(yīng)變敏感性;用磁控濺射的方法將超磁致伸縮材料和光纖復(fù)合,找到了合適的鍍膜條件,并通過懸臂梁法測量了所鍍薄膜的磁致伸縮系數(shù)曲線。文章最后搭建了擺線微應(yīng)變的驅(qū)動系統(tǒng),并做了一系列實驗。首先驗證了含微結(jié)構(gòu)的擺線對靈敏度的改善效果,實驗測得對磁場的靈敏度改善了27.58%;測量并擬合了復(fù)合擺線應(yīng)變與磁場的關(guān)系,應(yīng)變大小與磁場改變量比值為(35)?(35)B=0.18nm/m T;驗證了復(fù)合擺線在磁場下的磁滯特性;通過臺階實驗,測得復(fù)合擺線應(yīng)變對磁場的分辨力為9.729m T,對應(yīng)的應(yīng)變大小為1.18nm;通過輸入不同的時變磁場,研究了復(fù)合擺線應(yīng)變的相位滯后以及頻率特性;最后實驗測得系統(tǒng)的穩(wěn)定性為18.3nm。
【圖文】：

圖 1-2 FG-5 絕對重力儀原理圖[22]Kuo-Jung Lan 和美國 NIST 的 John A. Kr了一種六自由度的主動隔振系統(tǒng)，在其的分辨率（軸向分辨率可達 0.8nm），振測量速度也相應(yīng)有了極大的改善[23-25]。al Pre-Isolator)這種 6 自由度的主動隔振系懸掛鏡子的 2 個常見振動噪聲頻段：0.1H起的 1Hz-3Hz 振動噪聲頻段[26]。和主動隔振，還有些領(lǐng)域用到了主被動隔振，指的是利用大承載、低剛度的被器和傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制抑制振動。M.平方向和垂直方向的被動隔振系統(tǒng)，對 離[27]。LIGO 中采用的隔振平臺里對于隔振系統(tǒng)[28,29]。料與光纖的耦合方式研究現(xiàn)狀

使用光纖光柵可以將長度變化轉(zhuǎn)化為反射的波長的改變），，驅(qū)動光纖長度變化的同時，還能實現(xiàn)對這個變化大小的監(jiān)測。磁致伸縮材料和光纖的耦合方式對應(yīng)變的傳遞率有一定的影響式所適用的場合也不同，目前文獻報道的耦合方式主要有直接覆式等。接粘貼式磁致伸縮材料可以通過晶體生長的方式成型成塊狀，直接粘貼用特殊的膠將光纖粘貼在超磁致伸縮材料表面，超磁致伸縮材光纖膠傳遞給光纖。00 年 J. Mora 等人設(shè)計將一根刻有兩段光柵的光纖粘貼在包含熱膨脹系數(shù)的合金上，這兩段合金其中一個是磁彈性較大的超 Monel-400，另一個非磁性材料，這兩段合金直徑高度都相同端面接在一起，光纖光柵的兩段柵區(qū)分別被站在兩個合金柱上屬兩段柵區(qū)的作用是實現(xiàn)溫度的補償[32]，如圖 1-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH703

【參考文獻】

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本文編號：2594287