光纤传感器形貌测量系统优化设计研究

论文摘要

表面形貌是指表面存在连续凹凸不平的微观几何形状,它在很大程度上影响并决定零件的使用性能,这种影响存在于机械、集成电路、生物医学和光学等诸多领域。合理有效的评价表面形貌对表面加工质量和保证产品性能具有非常重要的理论意义。反射式强度调制型光纤传感器（RIM-FOS）具有非接触式、结构简单、设计灵活等优点,被广泛应用于位移、表面形貌、粗糙度等物理量的测量。利用反射式强度调制型光纤传感器对表面形貌进行测量,论文从建立光强模型、传感器结构优化设计、实验及结果分析和形貌测量系统的优化等几个方面进行了深入的研究。根据RIM-FOS的基本工作原理和基于高斯分布的出射端的光场分布,建立了双圈同轴型光纤传感器的数学模型。提出了一种外圈接收光纤倾斜的双圈同轴型光纤传感器的新结构,并利用粒子群算法对倾斜角度进行了优化。完成了形貌测量系统的搭建,实现了测量系统的基本功能。对反射式光纤传感器进行了校准和标定,得出了输入输出特性曲线,并对传感器的性能进行了分析。验证了所建立的光纤传感器的数学模型的可行性。分析了影响测量系统精度的因素,包括环境光、振动和反射系数等的影响。分别从提高激光器和发射光纤的耦合效率、光强补偿方面对光路系统进行了优化,最后利用基于关系矩阵的统计加权数据融合算法对光电探测器的噪声和光源波动引起的系统误差进行了补偿,该算法能够更为精准的还原被测工件的表面三维形貌。本文验证了反射式强度调制型光纤传感器的测量模型,从光纤传感器的结构、光源与光纤传感器的耦合方式、光路补偿以及优化表面数据的数据融合算法四个方面对表面形貌测量系统进行了设计优化,并进行了仿真实验和形貌测量等相关实验,得到了比较理想的实验结果,验证了测量系统的性能。

论文目录

摘要

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外现状及研究进展

1.2.1 表面形貌测量法概述及分类

1.2.2 光纤传感器的发展研究

1.2.3 反射式光纤传感器在形貌测量中的应用发展

1.3 研究内容

2 光纤传感器表面形貌测量的理论研究与分析

2.1 单光纤对的测量原理

2.2 发射光纤纤端出射光场分析

2.3 单光纤对的光强调制特性

2.3.1 不同结构参数对光强调制特性曲线的影响

2.3.2 反射面形状对光强调制特性的影响

2.3.3 反射式光纤传感探头的结构设计与优化

2.4 本章小结

3 光纤传感形貌测量系统

3.1 光纤传感形貌测量系统的硬件设计

3.1.1 测量系统的硬件选型与实现

3.1.2 测量系统样机的构建

3.2 光纤形貌测量系统的软件设计

3.2.1 通讯采集模块设计

3.2.2 运动模块设计

3.2.3 形貌测量软件总体设计

3.3 本章小结

4 表面测量实验与结果分析

4.1 RIM-FOS测量系统模型的试验验证

4.2 半导体激光器光源功率稳定性实验

4.3 光纤传感器标定实验

4.3.1 光纤传感器的校准

4.3.2 光纤传感器的静态标定实验

4.4 表面还原实验

4.5 本章小结

5 影响系统精度的因素分析与系统优化

5.1 影响系统精度的因素分析

5.1.1 环境光干扰

5.1.2 振动干扰

5.1.3 被测面反射系数的影响

5.1.4 光电探测器中噪声的干扰

5.2 光路系统优化

5.2.1 提高激光器和光纤探头的耦合效率

5.2.2 光强补偿

5.3 基于关系矩阵的统计加权的数据融合

5.3.1 测量数据的数据处理

5.3.2 基于关系矩阵的统计加权数据融合算法

5.3.3 数据融合估计的有效性分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨睿

导师: 杨瑞峰

关键词: 光纤传感器,光强调制函数,误差分析,测量系统优化,数据融合

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 中北大学

分类号: TN248;TP212

总页数: 80

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