基于光纤SPR的可方向识别多维微位移传感器.pdf

摘要

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。

2SPR

（）针对光纤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

COV

2激光器在渐变多模传感光纤上加工槽，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

Y

间芯发出直光束，可配合传感光纤实现轴方向微位移传感。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。

4SPR

（）为同时解决光纤微位移传感器无可方向识别和多维微位移传感的问

I

重庆三峡学院硕士学位论文

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

VYV

直槽斜面传感区实现轴（上下）方向微位移传感，在传感光纤水平槽斜面传

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。

关键词：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

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