随着我国航空制造工业技术的不断发展和进步,对发动机装配技术的要求也越来越高。转静子同轴测量和同级叶片叶尖轴径向间隙的一致性对发动机的工作效率、安全性和可靠性起着至关重要的作用。目前,在线测量系统普遍存在传感器体积大,精度低等缺点,难以应用于狭小空间测量,而手动测量方式测量效率低,受人为影响因素大。因此,研制一种具有高精度的微型化、非接触式传感器具有极其重要的应用价值。本课题在光纤共焦成像原理的基础上,充分利用自聚焦透镜小型化、易集成等特点,提出研制一种基于自聚焦透镜的光纤共焦位移传感器,为航空发动机叶片间隙和静子同轴度检测提供一种有效的技术手段。为此,本文主要完成以下研究工作:开展自聚焦透镜共焦机理研究,通过光学矩阵及傅里叶光学方法,结合自聚焦透镜的透过率函数,推导了点光源照明下自聚焦透镜的光场衍射分布理论公式,并建立基于自聚焦透镜的共焦系统三维相干成像模型。此外,通过对比分析两种共焦成像光路结构的特点,确定了单透镜结构的共焦成像方案。建立基于自聚焦透镜的单模及多模光纤共焦传感器模型,完成对系统参数的优化设计。首先从理论上对比分析了多模光纤和单模光纤替代共焦针孔对系统产生的影响;其次,利用前述所建立的自聚焦透镜的三维相干成像模型,分析自聚焦透镜的物距、焦距和截距对共焦系统测量范围、轴向分辨力等指标的影响,给出了优化共焦传感器的设计方案;此外,为了提高共焦传感系统的测量速度,利用曲线拟合方法对轴向特性曲线进行近似处理;最后,针对光纤共焦中影响系统特性的因素进行了分析,给出光纤与透镜轴偏移量不得超过0.15mm,被侧面倾斜角不得超过8.2°。搭建了光纤自聚焦共焦系统实验平台,进行原理性实验以及系统性能实验。实验结果验证了光纤自聚焦共焦模型的正确性。数据表明,当采用多模光纤时,可以有效拓宽轴向响应曲线,选用P=0.22长度透镜可以达到250μm的测量范围,其分辨力优于0.5μm,系统2min内稳定性为0.3μm,10min内稳定性为0.4μm,重复性标准差为0.5μm。