在核心器件的復(fù)雜曲面上設(shè)計(jì)并制造三維微細(xì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)今尖端裝備制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢。例如,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的復(fù)雜曲面上分布有數(shù)量眾多的氣膜孔,直徑介于Φ300μm~Φ500μm,設(shè)計(jì)要求這些氣膜孔具有前向擴(kuò)張和月牙等特定的三維結(jié)構(gòu),而且微孔軸線與葉片曲面法線間的方位關(guān)系精確。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴注系統(tǒng)中,燃料微噴孔分布在傾角不同的同心環(huán)道上,最小直徑可達(dá)Φ200μm,最大深度可達(dá)2mm,而且,10%的制造誤差將導(dǎo)致最大推力下降約17%。制造精密三維微結(jié)構(gòu),首先要解決三維微尺度傳感問題。然而,現(xiàn)有的微尺度傳感方法存在可測深寬比低、不具備穩(wěn)定的三維傳感能力和傳感鏈復(fù)雜的問題,難以滿足尖端裝備制造業(yè)中三維微結(jié)構(gòu)的測量需求。因此,急需一種能夠直接而準(zhǔn)確地評價(jià)微結(jié)構(gòu)制造結(jié)果的傳感方法。本課題“基于四芯錐形光纖光柵的三維微尺度傳感方法”針對上述問題,旨在為微尺度傳感技術(shù)提供一種可測深寬比高、傳感鏈短、測量精度高的三維微尺度傳感方法,同時(shí)對該方法進(jìn)行原理分析,在此基礎(chǔ)上搭建微尺度傳感系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文主要研究內(nèi)容為:針對測量深寬比低和三維傳感方面的問題,提出一種基于四芯錐形光纖光柵的微尺度傳感方法。該方法直接以四芯錐形光纖光柵變形感知三維觸測位移,將其應(yīng)變轉(zhuǎn)化為光纖光柵的光譜變化,并通過在光纖光柵中設(shè)置相移點(diǎn)并對其精細(xì)光譜進(jìn)行探測,降低了探針錐度引起的光譜信號扭曲,進(jìn)而提高微尺度傳感精度,依據(jù)上述原理和方法建立了該傳感方法的理論模型。分析結(jié)果表明,傳感方法具備穩(wěn)定的三維傳感能力。相移點(diǎn)能抑制光譜信號扭曲,可以顯著降低中心波長偏差。而且,錐型結(jié)構(gòu)在對靈敏度影響較小的同時(shí),能夠達(dá)到擴(kuò)展最小可測尺度的目的。針對構(gòu)建四芯錐形相移光纖光柵結(jié)構(gòu)的難題,提出一種基于自組裝原理的四芯錐形光纖光柵探針的制備方法。該方法利用固/液系統(tǒng)在表面能極小值狀態(tài)穩(wěn)定的原理,借助外約束,使小于臨界長度的四根錐形光纖自發(fā)組裝成正方形規(guī)則陣列。據(jù)此建立了完整的理論模型,分析了形成正方形規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的條件以及影響自組裝速度和探針傳感性能的因素,完成了光纖長度、直徑和紫外膠參數(shù)的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上,研究了錐形光纖腐蝕和四芯錐形光纖光柵探針自組裝的制備工藝。該方法可用于制備長度3mm~8mm、針尖直徑小于Φ100μm的探針。而且,與直接使用四芯光纖制備探針相比,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再受限制,可將光譜信號邊模抑制比由1dB提升至10dB,反射率由10%提升至75%,信號損耗由1dB~5dB降低至0.2dB。針對復(fù)雜傳感鏈限制進(jìn)一步提升測量精度的問題,提出一種基于光電等效濾波探針的信號解調(diào)方法。該方法將電學(xué)濾波器轉(zhuǎn)換為窄帶寬、寬范圍且快速可調(diào)的等效光譜濾波器,可以直接將相移光纖光柵的精細(xì)光譜信號解調(diào)為觸測位移。通過建立信號解調(diào)模型,研究影響光譜分析功率準(zhǔn)確度和分辨力的因素,優(yōu)化了電學(xué)濾波器參數(shù)和本振光掃頻速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光譜分辨力可達(dá)48fm,功率不準(zhǔn)確度低于2.1%,能更清晰地分辨探針中相移光纖光柵帶寬為3.4pm的精細(xì)光譜信號。最后,通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),驗(yàn)證了自組裝探針制備方法和光電等效濾波探針信號解調(diào)方法的可行性。在此基礎(chǔ)上,測試了微尺度傳感系統(tǒng)的性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相移點(diǎn)對錐形探針的光譜信號扭曲具有顯著的抑制作用,當(dāng)錐度達(dá)到2.04:1時(shí),可將光譜扭曲引起的信號中心波長偏差由9pm降低至0.45pm,而且靈敏度相比于同直徑的圓柱光纖光柵探針高37%。該傳感系統(tǒng)的三維觸測位移分辨力可達(dá)30nm,三維觸測重復(fù)性可達(dá)31nm。標(biāo)準(zhǔn)微深孔直徑和量塊“階梯”高度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,微尺度傳感系統(tǒng)的徑向和軸向測量不確定度可達(dá)U=0.31μm,k=2。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH74;TP212
【部分圖文】：

圖 2-6 錐形光纖軸向傳感仿真 Simulation on tapered fiber sensing axial disp示的結(jié)果，垂直于探針 y 軸的各個(gè)截面 FBG 所受應(yīng)力相同，即在探針內(nèi)的四錐度k 情況下，光纖探針的歸一化分布

2-8 軸向穩(wěn)定壓縮的臨界位移與直徑和錐度的關(guān)ip among critical stable compressing axial displactapered探針桿自由端直徑、錐度與軸向穩(wěn)定壓縮探針直徑和錐度，探針的軸向穩(wěn)定壓軸向測量的需要。而且，通過分析還可以下，增加探針錐度可以提高探針軸向測量接觸力分析光柵探針與待測零件接觸而發(fā)生撓曲，進(jìn)觸區(qū)域的應(yīng)力超過材料塑性變形的極限，，待測零件表面的塑性變形會(huì)破壞待測零的塑性變形會(huì)影響探針后續(xù)測量的精度。接觸屬于曲面點(diǎn)接觸，根據(jù) Hertz 接觸理徑有如下關(guān)系[66]：*3a 3 FR 4E

2-16 不同直徑探針的徑向觸測位移輸出曲rves of phase-shift FBG probes of different didisplacements錐度對位移靈敏度的影響。圖 2-17 (a)和與徑向和軸向位移的關(guān)系曲線，其中、自由端直徑為 250μm 至 150μm�？�

【參考文獻(xiàn)】

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2 戴萍;氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對渦輪葉片氣膜冷卻的影響研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

3 王偉麗;納米三坐標(biāo)測量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及接觸式測頭技術(shù)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2008年

4 陳葉金;創(chuàng)新型微納米測量探頭機(jī)理的研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2007年

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本文編號：2826817