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基于光纤布拉格光栅的触发式三维测头研究

丁邦宙  
【摘要】:测头是坐标测量机(CMM)的关键技术。CMM通过测头来拾取信号,CMM的功能、工作效率和精度等都与测头密切相关。传统的触发式测头存在预行程变化量误差,精度较低。研究新型触测原理的触发式测头,可以提高测量机的精度和测量速度,使其功能更加完善。近年来随着光通信技术的发展,光纤布拉格光栅(FBG)因其优良的传感特性也受到研究人员的青睐。 本文将FBG作为敏感元件感受在测量过程中测头与工件触碰与否,并藉此产生触发信号,使坐标测量机获得被测物的形状、位置和表面特征等相关信息,在理论上验证了FBG应用于坐标测量机测头的可行性。FBG应用在触发式测头中,不同于传统的电触式开关测头,也不同于电阻应变式开关测头。在基于FBG的测头系统中,传感信号是经过波长调制的光信号,对微应变的灵敏度高达皮米量级,经过解调系统的光学变换和光电转换,将被调制的光信号转变易于实现检测和处理的电信号。 主要研究内容及创新点包括: 1.首次将FBG传感技术应用在三维触发式测头中,这也是FBG在计量学领域应用的一个尝试。系统研究了触发式测头的触测原理和将光学方法应用于测头的途径、 FBG的基本理论以及轴向应变作用下的FBG反射谱特性、FBG测头的组成系统。 2.实现了一种新型的测头结构。建立了测头微位移与FBG上的微应变的对应关系的数学模型;对静态和动态触测力引起的测杆变形结果进行了计算;并对测杆的变形以及悬挂系统的刚度进行了仿真分析。 3.实现了一种低成本高效率的光纤布拉格光栅信号解调系统。深入、系统地研究了FBG信号解调方法;探索了基于无调谐参考光纤光栅的自解调法;研究了FBG信号的数据采集系统。 4.对FBG测头进行了误差分析和复位性、灵敏度和测量力等方面的性能实验。


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