新型FBG三维纳米振动测头解调系统研究

发布时间：2020-11-01 17:10

　　 针对微小元件对其尺寸的高精度测量要求,以及对应用于微纳米尺寸的三坐标测头的需求,本文研制了一套可用于微米/纳米三坐标的接触式测头系统。该测头以布拉格光纤光栅(FBG)作为传感元件,测头内封装有压电陶瓷元件使其工作在振动状态,可以实现真正的三维坐标测量。该测头主要可分为位移传递机构和三维FBG传感系统两部分:位移传递机构由测针、支架、弹性悬臂、压电陶瓷振板、固定装置等组成,可以将任意方向触碰测头的位移转化为FBG传感器的轴向应变;三维FBG传感系统由三根传感FBG和一根匹配光栅、光源、光开关、耦合器等构成,用于实现三维测量。本文主要完成的工作如下:(1)从FBG的传感、解调以及复用的基本原理出发,提出了三维纳米测头的测量机理。对测头的传感机理、测头机械结构进行介绍,分析了适用于测头环境的FBG解调方案。对基于非平衡M-Z干涉仪法和基于匹配光栅法这两种解调方法在测头环境中FBG解调的应用进行了详细的实验对比,并最终采用基于空分复用方法的匹配光栅法对测头内的FBG信号进行复用解调。(2)基于对测头的测量机理的研究,制作出一套测头系统样机。并构建了测试系统分别对测头的灵敏度、分辨力、重复性等性能进行了测试。测试结果显示,测头的分辨力达到13.18nm,测头灵敏度高于100.47mV/um,整体重复性小于48nm,非线性误差小于1.58%,回零、触发重复性均小于25nm。(3)根据测头的机械结构推导出了该测头的理论空间坐标解耦模型,并给出了基于多元线性回归的测头坐标耦合模型,提出了测头的坐标解耦方法。分析了该解耦模型的可行性,并通过实验结果证实该耦合模型的模型估计误差小于56nm。对测头系统的误差源进行了分析,并给出了测头系统的误差传递关系。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH721
【部分图文】：

合肥工业大学硕士学位论文英国国家物理实验室（NPL）开发的微测头[6,7]，如图 1.2 所示。其测头构在各个方向上具有相等的探测刚度，缺点是当测杆移出 xy 平面时，会产的平移；当测球沿着纵向移动时会产生 z 轴旋转；当支撑探针的三个簧片会导致探针 z 轴平移和 x、y 轴旋转。这种测头的移动部件的质量仅有 350量分辨率达到 3nm，测量范围±20μm，刚度 10N/m，探测力 0.2mN。

的平移；当测球沿着纵向移动时会产生 z 轴旋转；当支撑探针的三个簧片弯曲时会导致探针 z 轴平移和 x、y 轴旋转。这种测头的移动部件的质量仅有 350mg, 测量分辨率达到 3nm，测量范围±20μm，刚度 10N/m，探测力 0.2mN。（1）竖直方向感测圆球（2）反射镜（3）物镜（4）竖直方向 CCD图 1. 1 德国 PTB 的光纤探头系统原理图和 Z 方向感测图像Fig 1.1 Schematic view of the probe of PTB, and camera image of the upper target forthe determination of the Z-displacement

第一章 绪论接触时，用干涉仪得出球的位置动）、静电效应和粘附效应等因的。为了克服这个问题，可以让M 测量结果的比较得到测量误差N/m，测量分辨率 10nm，重复性k=2）。这种测头的优点在于没有，测力可以小于 10-5N。50
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 范哲光;费业泰;丁邦宙;;基于光纤布拉格光栅(FBG)原理的三坐标测量机测头结构[J];工具技术;2010年11期

2 关柏鸥,余有龙,葛春风,刘志国,董孝义,谭华耀;一种高分辨率的光纤光栅传感解调技术[J];光学学报;2000年11期

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1 李瑞君;纳米三坐标测量机三维大量程接触扫描探头系统的研制[D];合肥工业大学;2013年

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1 王凯;光纤干涉型水听器PGC信号解调及应用技术研究[D];天津大学;2010年

本文编号：2865839