基于FBG的新型微位移测头系统的研究

陈丽娟,　陈晓怀,　刘芳芳

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥　230009)

基于FBG的新型微位移测头系统的研究

陈丽娟,陈晓怀,刘芳芳

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:为了提高微位移测量系统的测量精度,文章设计了以光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)为传感器的触发式测头系统。该测头采用双FBG悬接式探头传感结构,实时修正温度气流振动等环境干扰的影响;球形的探针结构扩大了测量范围;同时为了降低成本和简化结构,系统采用可调谐匹配光栅法对信号进行解调。利用PI线性微动平台和Renishaw XL-80激光干涉仪做出的实验结果表明,该系统量程为30 μm,最优分辨力达到10 nm,非线性误差为150 nm,满量程重复性小于350 nm。

关键词:微位移测量；光纤布拉格光栅；双FBG传感结构；匹配光栅滤波法

随着微细加工技术的发展,各种微型机械和MEMS器件的几何特征尺寸不断缩小,对这些设备尺寸的测量不确定度要求也达到纳米和微纳米量级。目前,国内外对于微/纳米测量技术的研究非常活跃,研究者提出了许多测量原理和方法,能够进行纳米计量的方法主要有非光学方法和光学方法2大类[1-4]。非光学方法包括SPM法、电容测微法、电感测微法;光学方法包括X射线干涉法、各种形式的激光干涉法和光学光栅法等。Binnig等人将扫描隧道显微镜与探针式轮廓仪相结合,发明了原子力显微镜,该显微镜在空气中测量精度达到横向3 nm和垂直方向0.1 nm[5];英国国家物理实验室(NPL)研制的基于电容传感器的碳化钨Si基探针,测头测量范围为20 μm,分辨率为3 nm[6];德国联邦物理技术研究院(PTB)的光学式三维光纤接触式探头具有0.1 μm的测量不确定度和小于1 μN的探头接触力[7]。

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小、结构灵活以及易实现分布式测量和远距离实时监测等特点,在测量领域具有很强的竞争力和广阔的应用空间[8-9]。为了解决目前商用或在研的微纳米测量系统普遍受限于测球尺寸、测头系统性能以及微纳米测量领域成本高等问题[10],本文利用FBG的波长对应变的高敏感性,研究了一种新型超精密微位移传感系统。实验结果表明该系统结构简单、成本低、灵敏度高,可用于各种微纳米级测量仪器。

1FBG测量原理

宽带光源发出的光射入FBG,与其中心反射波长(亦称布拉格波长)相同的光被反射回来,而其他波长的光则透射过去。FBG的布拉格波长λB取决于光栅周期Λ和纤芯有效折射率neff,表达式为[11]:

(1)

应力引起的FBG中心波长漂移可描述为[8]:

(2)

其中,ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变;Δneff为光纤弹光效应引起的有效折射率变化。(2)式还可以进一步写成:

(3)

其中,pe为有效弹光系数;ε为轴向应变;α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数;ΔT为温差。

由(2)式和(3)式可知,当FBG受轴向应变作用时,随着栅距和有效折射率改变，其布拉格波长漂移,通过解调获得波长漂移量,可计算得出应变量的大小。

2系统设计

2.1双FBG悬接式一体化探头传感结构

探头采用双FBG悬接式传感结构。在精密不锈钢针管中,封装了2根FBG光纤,一根测量FBG光纤用于感测待测物的微位移量,另一根FBG作为补偿光纤,用来实时修正干扰影响,如图1所示。

图1　双FBG探头机构示意图

2个FBG位置很靠近,两者所受的环境干扰近似相同,同时系统中采用同一光源、光路和解调模块对2个FBG进行信号处理,因此这种双传感封装设计不仅可以保护FBG传感器,也可以最大程度地减小由FBG光纤侧弯、环境气流变化、光源波动、电磁噪声等共模干扰的影响,提高系统信噪比,从而提高该传感器系统的灵敏度和稳定性。探针由测杆和测球组成,是接触式探头的重要组成部分之一。其中测球的直径和硬度是微纳米测量技术中的一个难点,目前商用的红宝石测球最小的直径为300 μm,难以满足日益增长的微纳米测量的需求。为了适应对微小尺寸的测量,本设计中的测球为实验室自制。利用商用光纤熔接机的清洁放电功能,将直径为125 μm的玻璃光纤末端熔融并通过表面张力收缩凝成球体。在原始实验流程的基础上,引入科学实验计划法——田口法,优化加工过程参数,形成一体式测杆测球,光纤球头的直径为200 ～250 μm。测量FBG光纤悬挂于探头固定端,这种一体化结构设计使得测头具有较大的长径比,且直接采用FBG光栅做测杆也使得测头结构较紧凑。

测头实物如图2所示,精密不锈钢针管外径0.51 mm、内径0.26 mm、长12 mm,2根FBG光纤直径125 μm、长10 mm,测量FBG和补偿FBG的布拉格波长分别为1 551.5 nm和1 552.5 nm。

图2　测头实物图

测量FBG末端的为熔烧加工的光纤微球头,用来感测位移量,补偿FBG末端也经过光纤熔烧加工,以封闭光纤末端,形成与测量FBG相同的测量条件,同时也可减小回波反射。为使补偿FBG不影响位移传感FBG的正常测量,其光纤末端形状应为半球形或更小。

2.2信号的解调设计

信号解调是系统的重要部分,解调方法直接决定了系统的解调精度、价格和稳定性。目前实际应用中,普遍运用价格昂贵的光纤光栅解调仪来对FBG解调,所以难以大规模推广应用,因此结构简单、分辨率高、价格低廉的解调是实用化的关键。本设计采用可调谐匹配光栅法来进行解调,这种方法结构简单、解调精度高。

系统由信号解调电路和PZT驱动电路组成,如图3所示。

图3　系统结构原理图

光电探测器采用高灵敏度的InGaAs平面结构7 MHz PIN探测器,将反射回来的参考光栅的信号转化为电信号,再通过峰值检波电路提取峰值信息,该信息被送入处理器处理。当处理器判定参考光栅和测量光栅的光强达到最大时,读取压电陶瓷的电压,通过压电陶瓷的实时电压和位移之间的关系计算出压电陶瓷的位移即参考光栅的位移,从而得到测量光栅的波长变化量,以此计算出系统的变形量。在没有测量时,参考FBG和测量FBG的反射谱很靠近,一旦后者受到压力后,它的光谱将只会向短波方向移动,而参考FBG的反射谱此时几乎不漂移。这样就可以用1根匹配光栅同时解调2根光栅传感器信号,不仅简化了整个系统的结构,也节省了系统成本。

3系统特性测试

3.1压电陶瓷的性能测试

实验中,匹配光栅用AB胶粘贴在PZT上,匹配光栅的布拉格波长为1 548.5 nm,直径为125 μm,长度为10 mm。压电陶瓷的位移就是匹配光栅的位移,因此PZT的标定精度决定了系统的精度。在本设计中,压电陶瓷用0～5 V的三角波驱动,测量时只使用三角波上升沿的电压,且将三角波的直流减小到只有40 mV以下,同时采用高精度的位移标定系统,这样可以有效减小压电陶瓷蠕变非线性的影响。试验中,采用Renishaw XL-80激光干涉仪作为位移标定系统,该干涉仪的分辨率为1 nm,相对误差为0.5×10-6,频率达到50 Hz,最大的测量速度是4 m/s。

压电陶瓷的位移值变化存在随机误差,对测得的数据取平均值,并对电压-位移曲线进行八阶广义多项式拟合,得到压电陶瓷的拟合曲线和实测曲线如图4所示。其中,横坐标是压电陶瓷的驱动电压,纵坐标是压电陶瓷的位移。由图4可以看出,位移在2.5～33.5 μm时,误差小于20 nm,其余范围内拟合的误差可达100 nm,因此测量时系统的应用范围在5～30 μm之间。

图4　压电陶瓷的拟合曲线

3.2实验结果

实验装置如图5所示。

图5　系统的性能测试

利用以PI一维纳米微动平台和Renishaw XL-80激光干涉仪搭建的实验系统对FBG微位移传感系统进行了性能测试。将量块固定在纳米微动平台上,测头固定在平台的另一端保持不动,该微动平台的分辨率为0.025 nm,定位精度为5 nm；让电机驱动量块去触碰测头探针。驱动电机设定不同的移动步进,分别为10、20、40 nm,纳米微动平台在40 nm和10 nm的步进下,FBG的输出如图6所示。由图6可以看出,纳米微动平台的最优分辨率为10 nm。采用最小二乘拟合法得到系统的非线性误差最大约150 nm,这里压电陶瓷的非线性是导致测头非线性误差的主要因素。

此外,对FBG微位移传感系统进行了满量程重复性测试,如图7所示,结果表明满量程重复性小于350 nm。

图6　不同步进下FBG的输出电压波形

图7　满量程重复性测量曲线

4结束语

针对目前现有的微纳米测量系统受限于测球尺寸和微纳米测量领域成本的问题,本文利用高灵敏度的新型光学传感器件光纤布拉格光栅FBG,研究设计了一种测杆和探针一体化的测头系统,与通常的填埋式以及悬臂梁粘贴式结构相比,这种悬接式一体化测头的结构具有较小的测量力、较大的长径比以及较高的灵敏度;双FBG的设计不仅结构简单成本低,还很好地解决了FBG本身对于温度和应力双敏感的问题,具有良好的实用性。相关的实验表明,系统具有较好的分辨率和重复性,可用于各种纳米级测量仪器的部件或配件中,具有广阔的市场应用前景。

[参考文献]

[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，王鸣，夏巍,等.基于F-P腔强度解调的微位移传感器[J].光学学报，2014，36(6)：272-277.

[4]李瑞君.纳米三坐标测量机三维接触扫描探头系统的研制[D].合肥：合肥工业大学,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，费业泰，倪向红,等.光纤光栅在三维测头中的应用[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2011，34(8)：1126-1129.

[10] 黄强先，余慧娟，黄帅，等.微纳米三坐标测量机测头的研究进展[J].中国机械工程，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.

(责任编辑胡亚敏)

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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51205103；51275148)

作者简介：陈丽娟(1978-),女,安徽广德人,合肥工业大学讲师; 陈晓怀(1954-)，女，安徽怀宁人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.05.002

中图分类号:TH89

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)05-0582-05