基于FBG的新型微位移測頭系統(tǒng)的研究

陳麗娟,　陳曉懷,　劉芳芳

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥　230009)

基于FBG的新型微位移測頭系統(tǒng)的研究

陳麗娟,陳曉懷,劉芳芳

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:為了提高微位移測量系統(tǒng)的測量精度,文章設(shè)計了以光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)為傳感器的觸發(fā)式測頭系統(tǒng)。該測頭采用雙FBG懸接式探頭傳感結(jié)構(gòu),實時修正溫度氣流振動等環(huán)境干擾的影響;球形的探針結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了測量范圍;同時為了降低成本和簡化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)采用可調(diào)諧匹配光柵法對信號進(jìn)行解調(diào)。利用PI線性微動平臺和Renishaw XL-80激光干涉儀做出的實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)量程為30 μm,最優(yōu)分辨力達(dá)到10 nm,非線性誤差為150 nm,滿量程重復(fù)性小于350 nm。

關(guān)鍵詞:微位移測量；光纖布拉格光柵；雙FBG傳感結(jié)構(gòu)；匹配光柵濾波法

隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展,各種微型機(jī)械和MEMS器件的幾何特征尺寸不斷縮小,對這些設(shè)備尺寸的測量不確定度要求也達(dá)到納米和微納米量級。目前,國內(nèi)外對于微/納米測量技術(shù)的研究非?；钴S,研究者提出了許多測量原理和方法,能夠進(jìn)行納米計量的方法主要有非光學(xué)方法和光學(xué)方法2大類[1-4]。非光學(xué)方法包括SPM法、電容測微法、電感測微法;光學(xué)方法包括X射線干涉法、各種形式的激光干涉法和光學(xué)光柵法等。Binnig等人將掃描隧道顯微鏡與探針式輪廓儀相結(jié)合,發(fā)明了原子力顯微鏡,該顯微鏡在空氣中測量精度達(dá)到橫向3 nm和垂直方向0.1 nm[5];英國國家物理實驗室(NPL)研制的基于電容傳感器的碳化鎢Si基探針,測頭測量范圍為20 μm,分辨率為3 nm[6];德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)的光學(xué)式三維光纖接觸式探頭具有0.1 μm的測量不確定度和小于1 μN的探頭接觸力[7]。

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、體積小、結(jié)構(gòu)靈活以及易實現(xiàn)分布式測量和遠(yuǎn)距離實時監(jiān)測等特點,在測量領(lǐng)域具有很強的競爭力和廣闊的應(yīng)用空間[8-9]。為了解決目前商用或在研的微納米測量系統(tǒng)普遍受限于測球尺寸、測頭系統(tǒng)性能以及微納米測量領(lǐng)域成本高等問題[10],本文利用FBG的波長對應(yīng)變的高敏感性,研究了一種新型超精密微位移傳感系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高,可用于各種微納米級測量儀器。

1FBG測量原理

寬帶光源發(fā)出的光射入FBG,與其中心反射波長(亦稱布拉格波長)相同的光被反射回來,而其他波長的光則透射過去。FBG的布拉格波長λB取決于光柵周期Λ和纖芯有效折射率neff,表達(dá)式為[11]:

(1)

應(yīng)力引起的FBG中心波長漂移可描述為[8]:

(2)

其中,ΔΛ為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變;Δneff為光纖彈光效應(yīng)引起的有效折射率變化。(2)式還可以進(jìn)一步寫成:

(3)

其中,pe為有效彈光系數(shù);ε為軸向應(yīng)變;α和ξ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù);ΔT為溫差。

由(2)式和(3)式可知,當(dāng)FBG受軸向應(yīng)變作用時,隨著柵距和有效折射率改變，其布拉格波長漂移,通過解調(diào)獲得波長漂移量,可計算得出應(yīng)變量的大小。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1雙FBG懸接式一體化探頭傳感結(jié)構(gòu)

探頭采用雙FBG懸接式傳感結(jié)構(gòu)。在精密不銹鋼針管中,封裝了2根FBG光纖,一根測量FBG光纖用于感測待測物的微位移量,另一根FBG作為補償光纖,用來實時修正干擾影響,如圖1所示。

圖1　雙FBG探頭機(jī)構(gòu)示意圖

2個FBG位置很靠近,兩者所受的環(huán)境干擾近似相同,同時系統(tǒng)中采用同一光源、光路和解調(diào)模塊對2個FBG進(jìn)行信號處理,因此這種雙傳感封裝設(shè)計不僅可以保護(hù)FBG傳感器,也可以最大程度地減小由FBG光纖側(cè)彎、環(huán)境氣流變化、光源波動、電磁噪聲等共模干擾的影響,提高系統(tǒng)信噪比,從而提高該傳感器系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。探針由測桿和測球組成,是接觸式探頭的重要組成部分之一。其中測球的直徑和硬度是微納米測量技術(shù)中的一個難點,目前商用的紅寶石測球最小的直徑為300 μm,難以滿足日益增長的微納米測量的需求。為了適應(yīng)對微小尺寸的測量,本設(shè)計中的測球為實驗室自制。利用商用光纖熔接機(jī)的清潔放電功能,將直徑為125 μm的玻璃光纖末端熔融并通過表面張力收縮凝成球體。在原始實驗流程的基礎(chǔ)上,引入科學(xué)實驗計劃法——田口法,優(yōu)化加工過程參數(shù),形成一體式測桿測球,光纖球頭的直徑為200 ～250 μm。測量FBG光纖懸掛于探頭固定端,這種一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計使得測頭具有較大的長徑比,且直接采用FBG光柵做測桿也使得測頭結(jié)構(gòu)較緊湊。

測頭實物如圖2所示,精密不銹鋼針管外徑0.51 mm、內(nèi)徑0.26 mm、長12 mm,2根FBG光纖直徑125 μm、長10 mm,測量FBG和補償FBG的布拉格波長分別為1 551.5 nm和1 552.5 nm。

圖2　測頭實物圖

測量FBG末端的為熔燒加工的光纖微球頭,用來感測位移量,補償FBG末端也經(jīng)過光纖熔燒加工,以封閉光纖末端,形成與測量FBG相同的測量條件,同時也可減小回波反射。為使補償FBG不影響位移傳感FBG的正常測量,其光纖末端形狀應(yīng)為半球形或更小。

2.2信號的解調(diào)設(shè)計

信號解調(diào)是系統(tǒng)的重要部分,解調(diào)方法直接決定了系統(tǒng)的解調(diào)精度、價格和穩(wěn)定性。目前實際應(yīng)用中,普遍運用價格昂貴的光纖光柵解調(diào)儀來對FBG解調(diào),所以難以大規(guī)模推廣應(yīng)用,因此結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、價格低廉的解調(diào)是實用化的關(guān)鍵。本設(shè)計采用可調(diào)諧匹配光柵法來進(jìn)行解調(diào),這種方法結(jié)構(gòu)簡單、解調(diào)精度高。

系統(tǒng)由信號解調(diào)電路和PZT驅(qū)動電路組成,如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

光電探測器采用高靈敏度的InGaAs平面結(jié)構(gòu)7 MHz PIN探測器,將反射回來的參考光柵的信號轉(zhuǎn)化為電信號,再通過峰值檢波電路提取峰值信息,該信息被送入處理器處理。當(dāng)處理器判定參考光柵和測量光柵的光強達(dá)到最大時,讀取壓電陶瓷的電壓,通過壓電陶瓷的實時電壓和位移之間的關(guān)系計算出壓電陶瓷的位移即參考光柵的位移,從而得到測量光柵的波長變化量,以此計算出系統(tǒng)的變形量。在沒有測量時,參考FBG和測量FBG的反射譜很靠近,一旦后者受到壓力后,它的光譜將只會向短波方向移動,而參考FBG的反射譜此時幾乎不漂移。這樣就可以用1根匹配光柵同時解調(diào)2根光柵傳感器信號,不僅簡化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),也節(jié)省了系統(tǒng)成本。

3系統(tǒng)特性測試

3.1壓電陶瓷的性能測試

實驗中,匹配光柵用AB膠粘貼在PZT上,匹配光柵的布拉格波長為1 548.5 nm,直徑為125 μm,長度為10 mm。壓電陶瓷的位移就是匹配光柵的位移,因此PZT的標(biāo)定精度決定了系統(tǒng)的精度。在本設(shè)計中,壓電陶瓷用0～5 V的三角波驅(qū)動,測量時只使用三角波上升沿的電壓,且將三角波的直流減小到只有40 mV以下,同時采用高精度的位移標(biāo)定系統(tǒng),這樣可以有效減小壓電陶瓷蠕變非線性的影響。試驗中,采用Renishaw XL-80激光干涉儀作為位移標(biāo)定系統(tǒng),該干涉儀的分辨率為1 nm,相對誤差為0.5×10-6,頻率達(dá)到50 Hz,最大的測量速度是4 m/s。

壓電陶瓷的位移值變化存在隨機(jī)誤差,對測得的數(shù)據(jù)取平均值,并對電壓-位移曲線進(jìn)行八階廣義多項式擬合,得到壓電陶瓷的擬合曲線和實測曲線如圖4所示。其中,橫坐標(biāo)是壓電陶瓷的驅(qū)動電壓,縱坐標(biāo)是壓電陶瓷的位移。由圖4可以看出,位移在2.5～33.5 μm時,誤差小于20 nm,其余范圍內(nèi)擬合的誤差可達(dá)100 nm,因此測量時系統(tǒng)的應(yīng)用范圍在5～30 μm之間。

圖4　壓電陶瓷的擬合曲線

3.2實驗結(jié)果

實驗裝置如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)的性能測試

利用以PI一維納米微動平臺和Renishaw XL-80激光干涉儀搭建的實驗系統(tǒng)對FBG微位移傳感系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試。將量塊固定在納米微動平臺上,測頭固定在平臺的另一端保持不動,該微動平臺的分辨率為0.025 nm,定位精度為5 nm；讓電機(jī)驅(qū)動量塊去觸碰測頭探針。驅(qū)動電機(jī)設(shè)定不同的移動步進(jìn),分別為10、20、40 nm,納米微動平臺在40 nm和10 nm的步進(jìn)下,FBG的輸出如圖6所示。由圖6可以看出,納米微動平臺的最優(yōu)分辨率為10 nm。采用最小二乘擬合法得到系統(tǒng)的非線性誤差最大約150 nm,這里壓電陶瓷的非線性是導(dǎo)致測頭非線性誤差的主要因素。

此外,對FBG微位移傳感系統(tǒng)進(jìn)行了滿量程重復(fù)性測試,如圖7所示,結(jié)果表明滿量程重復(fù)性小于350 nm。

圖6　不同步進(jìn)下FBG的輸出電壓波形

圖7　滿量程重復(fù)性測量曲線

4結(jié)束語

針對目前現(xiàn)有的微納米測量系統(tǒng)受限于測球尺寸和微納米測量領(lǐng)域成本的問題,本文利用高靈敏度的新型光學(xué)傳感器件光纖布拉格光柵FBG,研究設(shè)計了一種測桿和探針一體化的測頭系統(tǒng),與通常的填埋式以及懸臂梁粘貼式結(jié)構(gòu)相比,這種懸接式一體化測頭的結(jié)構(gòu)具有較小的測量力、較大的長徑比以及較高的靈敏度;雙FBG的設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)簡單成本低,還很好地解決了FBG本身對于溫度和應(yīng)力雙敏感的問題,具有良好的實用性。相關(guān)的實驗表明,系統(tǒng)具有較好的分辨率和重復(fù)性,可用于各種納米級測量儀器的部件或配件中,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Villnow M,Bosselmann T,Willsch M,et al.FBG system for temperature monitoring under electromagnetic immersed and harsh oil and gas reservoir environment[C]//23rd International Conference on Optical Fiber Sensors.International Society for Optics and Photonics,2014:915797-1-915797-4.

[2]Marques C A F,Oliveira R A,Pohl A A P,et al.Dynamic control of a phase-shifted FBG through acousto-optic modulation[J].Optics Communications,2011,284(5):1228-1231.

[3]李春城，王鳴，夏巍,等.基于F-P腔強度解調(diào)的微位移傳感器[J].光學(xué)學(xué)報，2014，36(6)：272-277.

[4]李瑞君.納米三坐標(biāo)測量機(jī)三維接觸掃描探頭系統(tǒng)的研制[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[5]Binnig G,Quate C,Gerber C. Atomic force microscope[J].Physical Review Letters,1986,56(9): 930-933.

[6]Weckenmann A,Peggs G,Hoffmann J.Probing systems for dimensional micro- and nano-metrology[J].Measurement Science and Technology,2006,17(3):504-509.

[7]Brand U,Kleine-Besten T,Schwenke H.Development of a special CMM for dimensional metrology on microsystem components[C]// Proceedings of the 2000 Annual Meeting of ASPE.ASPE,2000:1-8.

[8]Liu F,Fei Y,Xia H,et al.A new micro/nano displacement measurement method based on a double-fiber Bragg grating (FBG) sensing structure[J].Measurement Science and Technology,2012,23(5):54002-54010.

[9]丁邦宙，費業(yè)泰，倪向紅,等.光纖光柵在三維測頭中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，34(8)：1126-1129.

[10] 黃強先，余慧娟，黃帥，等.微納米三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2013,24(9):1264-1272.

[11] Hill K O，Meltz G.Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview[J].Journal of Lightwave Technol,1997,15(8):1263-1276.

(責(zé)任編輯胡亞敏)

A new micro/nano displacement measurement system based on FBG sensor

CHEN Li-juan,CHEN Xiao-huai,LIU Fang-fang

(School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:A trigger measurement system based on the fiber Bragg grating(FBG) sensor is developed in order to improve the accuracy of the micro-displacement measurement. The suspended probe uses a double-FBG sensing structure, which can modify the disturbances of the vibration from temperature, airflow and other environment factors in real time. The probe has a fiber fused micro-ball tip, which can expand the measurement range. Meanwhile, the matching grating filtering method is used for the signal demodulating to reduce the costs and simplify the structure of the system. The measurement system is tested with a PI nanopositioner stage and a Renishaw XL-80 laser measurement system. The experimental results show that the prototype yields a measurement resolution of 10 nm, a range of 30 μm, a nonlinear error of 150 nm, and a full scale repeatability of less than 350 nm.

Key words:micro/nano displacement measurement; fiber Bragg grating(FBG); double-FBG sensing structure; matching grating filtering method

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-04-01

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51205103；51275148)

作者簡介：陳麗娟(1978-),女,安徽廣德人,合肥工業(yè)大學(xué)講師; 陳曉懷(1954-)，女，安徽懷寧人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.002

中圖分類號:TH89

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)05-0582-05