基于自组装四芯光纤光栅的深微尺度三维传感机理研究

The design of array micro structure with a high aspect ratio in the macro scale device has become an important trend of the next generation technology, precision dimensional measurement of array deep micros structure on this kind of large scale device is one of the important scientific problems in the field of across scale measurement. This project on the basis of the four-core fiber Bragg grating sensor research the sensing mechanism of micro scale deep precision measurement, explore the sensing characteristics of the four-core fiber Bragg grating probe, investigate the sensing mechanism of four core fiber grating probe by using strict mathematical method; research on the spectrum simulation method of fiber grating under complicated stress, the stress and stress gradient is introduced into the spectrum simulation method, establish the relation of three-dimensional contact displacement to reflection spectrum in four-core fiber grating probe; research on the physical process of four fibers grating self-assembled into four-core fiber grating under the liquid bridge force, analysis the influence rule of liquid medium effect on self-assemble, guide the process of self-assemble four-core fiber grating probe; establish the mathematical model of the fiber grating signal demodulation based on the double-grating-differential method with a high spectrum resolution research on the linear initial matching conditions, the weak optical signal detection means and the adjustment means of the initial matching conditions. The objective of the study will provide theoretical basis and scientific instruments for macro-micro cross scales measurement problems; this is a kind of original technology of the solution to precision measurements in cross scales.

宏观尺度器件上设计大深径比的阵列式微细结构已成为下一代技术的重要趋势，这种宏观尺度器件上阵列式深微尺度的精密测量问题是宏微跨尺度测量领域中的重要科学问题之一。本项目将在四芯光纤光栅传感的基础上研究深微尺度精密测量传感机理，探索四芯光纤光栅作为探针的传感特性，以严格数学手段研究四芯光纤光栅探针的传感机理问题；研究复杂应力作用下光纤光栅光谱仿真问题，将应力以及应力梯度引入仿真方法，建立四芯光纤光栅探针三维传感与反射光谱的联系；研究液桥力将四根光纤光栅自组装成为四芯光纤光栅的物理过程，分析液体介质对自组装的影响规律，指导自组装四芯光纤光栅探针的加工；建立基于双光栅差动的高分辨力光栅信号解调方法的数学模型，研究其线性工作的初始匹配条件、微弱光信号的探测手段和光栅解调的初始条件。本项目的研究将为宏微跨尺度测量问题提供理论依据与科学仪器，是解决跨尺度精密测量的一种原创性技术。

航空航天发动机中阵列式深微节流孔、喷注孔的超精密测量问题对于提高发动机推力、推重比有重大战略意义。围绕上述问题，项目对四芯光纤光栅探针传感器的传感机理、数值仿真方法、制备工艺、信号解调方法及系统集成进行了深入研究。提出了一种基于四芯光纤光栅的三维微尺度传感方法，扩展了可测深宽比，缩短了测量链，提高了传感精度。提出了一种基于液桥力自组装原理的四芯光纤光栅探针制备方法，制成的探针传感器呈正方形排布且球形针尖表面光洁度良好，符合设计要求。提出了一种基于双光纤光栅差动原理的光谱解调方法，设计了相应的预应力调整机构及解调电路以保证解调模块工作在最佳位置。此基础上研制成功微型、微力接触式光学微尺度微型传感器样机，具有正交解耦能力；轴向量程达到0.8μm、分辨力达到10nm；径向量程达到4μm、分辨力达到30nm；最大可测深径比达到32。在本项目资助下，在国内外重要学术期刊杂志上发表SCI论文22篇，申请国际专利4项，其中2项获得授权；申请并授权国家发明专利20项；培养博士研究生3人，硕士研究生7人，其中冯昆鹏博士的学位论文获评仪器仪表学会和机械工业学会优博。本项目研制成功的四芯光纤光栅探针微尺度传感器具有高测量深径比、高精度以及易于小型化的特点，可基本满足当代航天、航空发动机中阵列式深微节流孔、喷注孔的测量需求。与传统的手检方式相比，项目研制的测量样机可将检测速度提高百倍以上，因此有望在未来的5-10年内应用于型号发动机的生产中。项目在研究过程中发现，可以通过改进传感器制作工艺、优化调谐激光器结构及引入视觉引导模块来进一步优化测量样机性能，相关研究将有望应用于下一代发动机的生产中。