基于簡易非本征法—珀腔的大量程納米位移傳感器

孫志強， 邵志強，2, 畢佳宇， 宮占江， 王勁松， 王 燁

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028;2.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006)

0 引 言

高精度的位置測量系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)對于復雜的三維精密零件的繪制測量尤為重要，這些精密零件廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器制造、汽車、發(fā)動機等制造領(lǐng)域[1～3]。微/納米坐標測量機(micro/nano CMMs)由于能夠?qū)崿F(xiàn)納米級的三維形貌測量，近年來已被應(yīng)用于微納精密工程進行各種復雜機械零件的測繪[4～7]。CMMs通常設(shè)計為三個正交測量軸，每個軸的末端配備一個位置測量掃描探針，并通過測量目標表面和探針之間的距離來實現(xiàn)三維形貌的繪制[2,3]。

測量范圍大、精度高、響應(yīng)快的位置掃描探頭可以使CMMs系統(tǒng)更準確、高效地測量和描繪物體表面輪廓。許多接觸式位置掃描探頭已經(jīng)在發(fā)表的文獻中進行了大量的研究和報道。Zhang L等人[1]提出了一種微型邁克爾遜干涉儀，在光纖末端焊接一個紅寶石球作為掃描探針。傳感系統(tǒng)的測量范圍可在60 μm以內(nèi)，分辨率為5 nm。Zou L等人[4]提出了一種光纖懸臂梁末端熔接微型球結(jié)構(gòu)作為掃描探針。該傳感系統(tǒng)的測量范圍為25 μm，分辨率為5 nm。

Li等人[5]報道了一種邁克爾遜干涉儀和鎢針結(jié)合的結(jié)構(gòu)作為掃描探針。傳感系統(tǒng)的測量范圍為40 μm，分辨率為30 nm。然而，非接觸式三維形貌測量的研究卻鮮有報道。這種測量方法的優(yōu)點一方面是避免了在測量過程中降低掃描探頭的長期穩(wěn)定性，另一方面是防止劃傷被測物體的表面。

光學非本征法布里—珀羅干涉儀(EFPI)位移傳感器具有一些獨特的優(yōu)點，包括易于制造、體積小、分辨率高、非接觸式的絕對位移測量[6,8～10]。光纖端面和反射器可以形成簡單的EFPI結(jié)構(gòu)[11]。光纖端面和外部反射鏡之間的距離，即腔長，可以根據(jù)EFPI的反射光譜確定。根據(jù)反射光譜計算腔長，是決定整個傳感系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。基于寬帶光源或可調(diào)諧激光器的白光干涉法(WLI)可以實現(xiàn)亞納米級的絕對腔長測量[12]。因此，EFPI結(jié)構(gòu)適合用于高精度一維位移傳感，非常有希望作為CMMs的掃描探針，用于大范圍、高精度和快速掃描響應(yīng)的多維形貌測量。

本文提出并分析了一種基于白光低相干干涉為原理，非接觸光學反射式的EFPI一維位移傳感器。采用可調(diào)諧激光器和光電探測器(PD)作為光源和光譜接收器，用帶陶瓷套管封裝的光纖末端作為位移探針，互相關(guān)函數(shù)(CCF)算法作為干涉信號的解調(diào)方法。位移測量實驗表面EFPI傳感器的測量范圍為64.52～970.55 μm，分辨率為1 nm。

1 基礎(chǔ)理論

圖1(a)展示了EFPI結(jié)構(gòu)的示意圖。光纖的超物理接觸(UPC)型端面和平行目標表面形成EFPI結(jié)構(gòu)。入射光通過光纖端面后，產(chǎn)生兩束反射光。由于光纖的纖芯端面會產(chǎn)生光學反射，從光纖中出射的光，一部分打到光纖端面并產(chǎn)生反射光I1。其余的光作為通過光纖端面發(fā)射到空氣中，并在空氣中傳播L0距離后，被目標表面反射，最后被光纖芯捕獲的光為I2。

這兩束反射光由于產(chǎn)生了穩(wěn)定的光程差(OPD)，使得光纖中產(chǎn)生了符合特定腔長特征的干涉光譜。其中滿足干涉條件的相位φi可以表示為

(1)

式中L0為法布里—珀羅(F-P)腔的長度，λi為第i個波長的值，n為空氣的有效折射率。

干涉信號(I)可以表示為

(2)

圖1(b)展示的是EFPI在腔長為274.48 μm時產(chǎn)生的干涉光譜圖，從圖中可以看出中心波長為1 550 nm，帶寬為40 nm的寬帶光在EFPI結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了干涉。峰峰之間的寬度也保持一致，這就表明這種高反射鏡與光纖端面構(gòu)造的F-P腔是典型的雙光束干涉結(jié)構(gòu)。

圖1 非本征F-P腔的白光干涉理論

為了獲得高精度相位信息，解算納米級精度腔長，本文提出了一種CCF算法[13]。CCF的表達式為

(3)

式中C為F-P腔長的真實值和擬合值之間相似系數(shù)，γ為干涉條紋的對比度，L0和L分別為F-P腔長的真實值和擬合值。ν1和ν2為光源的下限和上限頻率。當L與L0相同時，C(L)得到最大值，可以得到唯一且確定的腔長。

2 實驗裝置

整個實驗裝置建立在隔振光學平臺上，在相對濕度為30 %RH、溫度為25 ℃的條件下進行，以避免溫度對空氣介質(zhì)折射率以及某些光學器件的熱膨脹產(chǎn)生測量誤差。

圖2為EFPI微位移傳感系統(tǒng)的示意圖。該實驗設(shè)置了近1 mm的位移變化范圍。傳感系統(tǒng)包括中心波長為1 550 nm、帶寬為40 nm的可調(diào)諧激光器、光學環(huán)行器、帶光纖陶瓷插芯封裝的光纖端面、反射率為99 %鍍金反射鏡，光電探測器(PD)和計算機。陶瓷插芯可以幫助光纖端面提供支撐和保護，防止測量過程中外力損壞位移探頭。商用單模光纖(SMF)被用作傳感系統(tǒng)中非空間光的傳輸介質(zhì)。

圖2 EFPI微位移傳感系統(tǒng)示意

可調(diào)諧激光器以20 pm的步長輸出一系列從1 530～1 570 nm的光波，形成近似的寬帶光。可調(diào)諧激光器發(fā)出的光，然后從光環(huán)行器的端口1入射到端口2，并耦合到F-P腔中。光纖芯接收兩束反射光I1和I2，產(chǎn)生干涉，并攜帶腔長信息。兩束反射光相互干涉，這光學反射式結(jié)構(gòu)形成的干涉被稱為EFPI。干擾信號經(jīng)PD接收后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用CCF算法解調(diào)，在計算機上獲得F-P的腔長尺寸信息。

3 數(shù)據(jù)分析

反射鏡的一維移動模式被用于模擬掃描探針在不同位置測量的目標物體的輪廓。圖3為F-P的腔長尺寸解調(diào)數(shù)據(jù)和反射鏡位移量之間的關(guān)系。采用高精度的單軸光學位移平臺拖動鍍金反射鏡，從而改變F-P腔的長度，用于模擬位移探針遇到不同高度表面的情況。單軸手動位移平臺(Newport，M-461-X-M)的精度為10 μm。整個位移變化長度約1 mm，步長為0.25 mm。隨著位移長度的逐漸增加，互相關(guān)解調(diào)峰的峰值向長腔方向移動并且伴隨能量衰減。根據(jù)式(3)，當通過CCF算法從光學干涉譜中提取F-P的腔長尺寸時，解調(diào)譜中只有一個峰值。隨著F-P腔長度的增加，在空氣中傳播的光的衰減逐漸增加，光纖芯能夠捕獲的光信號逐漸變?nèi)?。隨著位移逐漸增大，整個CCF峰變得不尖銳，峰值也逐漸減小，很難準確地判斷峰值最高點位置，導致長度超過970.55 μm的F-P腔的解調(diào)峰值變得難以定位。

圖3 F-P的腔長尺寸解調(diào)數(shù)據(jù)和反射鏡位移量之間的關(guān)系

為了更詳細地分析本實驗中PD檢測到的光強與位移距離之間的關(guān)系，并確定傳感系統(tǒng)的位移檢測范圍和分辨率，對位移變化產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)進行了如下分析。

圖4(a)為F-P腔長尺寸和位移長度之間的關(guān)系。位移變化量在0～900 μm之間，與腔長呈線性關(guān)系。F-P腔的長度隨位移長度的增加而增加。擬合公式中的常數(shù)項表示傳感器最小的相對測量距離為64.5 μm，該數(shù)值與CCF解算的最小腔長值保持一致。擬合線的斜率不等于1，因為高精度位移平臺的讀數(shù)存在納米級誤差。圖4(b)展示了位移變化量和光強之間的關(guān)系。隨著位移長度的增加，PD接收到的光強呈指數(shù)衰減。當腔長尺寸超過400 μm時，探測到的I2光能量開始趨于平緩，背景噪聲與I2處在同一個數(shù)量級，使得檢測到的光強度基本保持不變。值得注意的是，微弱的干涉信號仍能傳輸穩(wěn)定的腔長尺寸信息，400～970.55 μm腔長范圍下產(chǎn)生的干涉光信號仍可通過CCF算法解調(diào)。因此，一維EFPI位移測量系統(tǒng)可以測量64.52～970.55 μm的絕對距離。

圖4 EFPI傳感器系統(tǒng)的光強隨著位移變化的特征分析

位移分辨率也是EFPI傳感器系統(tǒng)的一項關(guān)鍵指標。該位移測試環(huán)境在無外界振動干擾的超凈間里進行。當F-P腔尺寸在64.52～970.55 μm之間時，解調(diào)算法具有相同的分辨能力，因此讓EFPI結(jié)構(gòu)在108～138 μm的腔長范圍內(nèi)往復運動,來判斷傳感器的位移測量穩(wěn)定性和位移分辨率。圖5(a)為EFPI位移測量系統(tǒng)在30 μm范圍內(nèi)的往復運動數(shù)據(jù)圖。傳感器探頭在108～138 μm下進行步進為30 μm往復運動，每次步進時間為3 s。該傳感器系統(tǒng)放置在納米位移平臺(SIOS,NMM—1)中，SIOS的測量和定位范圍為25 mm×25 mm×5 mm，分辨率為0.1 nm。實驗前，將SIOS置于初始位置狀態(tài)，將反射鏡安裝在SIOS的位移發(fā)生裝置上，光纖端面固定在金屬夾具上，形成EFPI結(jié)構(gòu)。將SIOS設(shè)置為每次移動30 μm，步進保持3 s，并記錄大約70個數(shù)據(jù)點。傳感器系統(tǒng)可以檢測到相應(yīng)的F-P腔長度變化，并且傳感器系統(tǒng)在CCF的解調(diào)算法下，計算得到的腔長值沒有發(fā)生跳變，傳感器系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。在圖5(b)為位移波動分布數(shù)據(jù)圖。30 μm往復運動采集的位移數(shù)據(jù)中，較大位移量處的數(shù)據(jù)點被依次提取，進行了平均差運算，方便分析測量位移的波動情況。圖中發(fā)現(xiàn)，整體的位移波動大概在0.001～0.002 6 μm之間，并且這種納米(nm)級的位移波動已經(jīng)被傳感器系統(tǒng)識別，SIOS系統(tǒng)的前端產(chǎn)生的機械疲勞和環(huán)境中的微弱振動導致了數(shù)據(jù)波動，產(chǎn)生了納米級的微小位移誤差。由此可知，該傳感器的分辨率為1 nm。

圖5 EFPI傳感器系統(tǒng)性能測試

4 結(jié) 論

綜上所述，本文提出了一種用于CMMs的高精度、大量程的位移探測新方法，并進行了實驗驗證，該方法使小型緊湊的EFPI傳感器能夠感測一維位移參量。其基本思想是使用鍍金反射面模擬被測物體表面，利用UPC型光纖端面與被測物表面構(gòu)造出非接觸的反射式的EFPI結(jié)構(gòu)，并將其用于高精度的表面位置測量。結(jié)合WLI原理和CCF算法形成一個簡易的EFPI位移掃描探頭作為新型的概念驗證演示結(jié)構(gòu)，有望用于三維微小輪廓定位測量領(lǐng)域。此外，CCF算法可以植入計算機軟件中，用于快速計算位移，實現(xiàn)三坐標測量機的高速三維掃描。通過使用這種簡單的腔長解調(diào)方式，本傳感器系統(tǒng)在64.52～970.55 μm的范圍內(nèi)實現(xiàn)了高精度的一維微位移測量，分辨率為1 nm。除了本文報道的位移測量外，該傳感器系統(tǒng)還可用于溫度、濕度、介質(zhì)折射率、聲振動、加速度、氣體濃度、壓力、張力等因素的測量，具有非常大的潛在工程應(yīng)用價值。