【摘 要】
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高精度多维位移传感技术在科学研究和工业生产的各个领域都有广泛应用。其中,光纤法布里-珀罗干涉仪（Fabry–Perot interferometer,FPI）以其精度高、抗环境干扰能力强、结构紧凑等优势,在位移测量领域得到了广泛的关注。但是,传统光纤FPI的外部反射镜为面内对称的平面,只有面外位移才能改变干涉光相位,因而无法进行面内位移测量,这限制了它在多维位移测量相关领域的应用。本论文针对高精度
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目（项目编号:61905085）; 中央高校基本科研业务费自主,HUST:2019kfyXJJS156
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高精度多维位移传感技术在科学研究和工业生产的各个领域都有广泛应用。其中,光纤法布里-珀罗干涉仪（Fabry–Perot interferometer,FPI）以其精度高、抗环境干扰能力强、结构紧凑等优势,在位移测量领域得到了广泛的关注。但是,传统光纤FPI的外部反射镜为面内对称的平面,只有面外位移才能改变干涉光相位,因而无法进行面内位移测量,这限制了它在多维位移测量相关领域的应用。本论文针对高精度多维位移传感技术的重要应用需求,创新性地设计一个面内不对称的台阶反射镜,与光纤端面构成双腔并联式光纤FP干涉结构,实现了面内位移传感,并进一步将其应用于二维位移传感,主要研究内容包括以下几个方面:（1）双腔并联式光纤FPI的理论研究:以传统光纤FPI的干涉理论为基础,对双腔并联式光纤FPI进行了理论建模和位移传感机理分析。结果表明,双腔并联式光纤FPI可以等效为两个具有不同腔长的传统光纤FP腔的并联。通过两个干涉分量的干涉振幅大小和空间频率大小,可以分别进行面内和面外位移传感。（2）面内位移传感实验研究:设计面内位移传感解调方案,采用MEMS工艺制备台阶反射镜,搭建面内位移传感实验平台,实验研究了双腔并联式光纤FPI的面内位移传感特性。结果表明,面内位移灵敏度和线性响应范围均与腔长相关,当腔长从150μm到400μm变化时,灵敏度从0.0478V/μm降低到0.0152V/μm,线性响应范围从11μm增大到18μm,在腔长为194μm下测得面内位移分辨率可达到5nm。（3）二维位移传感应用研究:详细分析双腔并联式光纤FPI面内位移与面外位移耦合关系,提出了二维位移解耦方案。进一步地,搭建了二维位移传感实验平台,开展了二维位移标定实验及二维随机位移测量实验。结果表明,双腔并联式光纤FPI可以实现二维位移测量,且面内与面外位移的绝对测量误差均在±0.1μm范围内。本论文在结构设计、机理研究、实验结果等方面均取得了创新成果,可为高精度多维位移测量提供创新的研究思路。
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