[发明专利]一种皮米量级分辨力的微位移测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种皮米量级分辨力的微位移测量系统，其特征包括：探针模块、光路模块、静态锁相放大处理模块、上位机采集处理模块和微位移驱动模块；

所述探针模块，包括：测量FBG传感器(1)、匹配FBG传感器(2)、精密不锈钢针管(3)、外部支架(4)；

所述精密不锈钢针管(3)夹持在所述外部支架(4)上；所述测量FBG传感器(1)与所述匹配FBG传感器(2)并列封装在所述精密不锈钢针管(3)内，且所述测量FBG传感器(1)的光纤端面到所述精密不锈钢针管(3)底部的距离小于所述匹配FBG传感器(2)的光纤端面到所述精密不锈钢针管(3)底部的距离，从而形成双FBG自补偿解调结构；测量FBG传感器(1)和匹配FBG传感器(2)均为单模FBG，其布拉格中心波长分别为1549.949nm、1549.963nm，3dB带宽分别为0.134nm、0.132nm，光栅长度均为15mm；两根FBG的中布拉格中心波长差仅为0.014nm；

所述光路模块，包括：ASE宽带光源(5)、第一环形器(6)、第二环形器(7)、InGaAs光电探测器(8)；

所述第一环形器(6)的输入端与所述ASE宽带光源(5)相连接，所述第一环形器(6)的输出端连接至所述测量FBG传感器(1)；所述第二环形器(7)的输入端与所述第一环形器(6)的反射端相连接，所述第二环形器(7)的输出端连接至所述匹配FBG传感器(2)；所述第二环形器(7)的反射端与所述InGaAs光电探测器(8)的输入端相连接；第一环形器(6)和第二环形器(7)均为1×2型环形器，工作波长为1550nm，插入损耗分别为0.80dB、0.63dB，回波损耗≥55 dB；

所述InGaAs光电探测器(8)的输出端连接至所述静态锁相放大处理模块；

所述上位机采集处理模块，包括：数据采集卡(10)、计算机(11)；

所述静态锁相放大处理模块的输出经过所述数据采集卡(10)传输至所述计算机(11)；

所述微位移驱动模块，包括：压电陶瓷纳米定位器(12)、压电陶瓷驱动器(13)、三维精密微动台(14)；压电陶瓷纳米定位器(12)的闭环行程为2μm，重复性为0.7nm，分辨率为0.03nm；

所述压电陶瓷驱动器(13)的输入端与所述计算机(11)相连接，所述压电陶瓷驱动器(13)的输出端连接至所述压电陶瓷纳米定位器(12)；所述压电陶瓷纳米定位器(12)固定于所述三维精密微动台(14)之上；

由所述ASE宽带光源(5)发出的激光经过所述第一环形器(6)传输至所述测量FBG传感器(1)中，并经过所述测量FBG传感器(1)对所述激光进行反射后的第一反射光到达所述第二环形器(7)的输入端，并由所述第二环形器(7)传输至所述匹配FBG传感器(2)中，由所述匹配FBG传感器(2)对所述第一反射光进行反射后的第二反射光通过反射端进入到所述InGaAs光电探测器(8)中，由所述InGaAs光电探测器(8)输出光功率电压信号并传输至所述静态锁相放大处理模块进行处理后通过所述数据采集卡(10)传输至计算机(11)中；其中，光功率电压信号与所述测量FBG传感器(1)和所述匹配FBG传感器(2)的光谱重叠面积成正比。

2.一种基于权利要求1所述的皮米量级分辨力的微位移测量系统的测量方法，其特征是按照如下步骤进行：

步骤1、预热所述ASE宽带光源(5)，调整所述压电陶瓷纳米定位器(12)的上端表面，使得所述压电陶瓷纳米定位器(12)的上端表面对准所述测量FBG传感器(1)的顶部；

步骤2、所述测量FBG传感器(1)固定，调整进给量的等级为微米级；从而利用所述三维精密微动台(14)按照所述进给量逐步接近所述测量FBG传感器(1)的顶部，在二者距离进入所述测量满量程范围时，停止调整所述三维精密微动台(14)；

步骤3、所述计算机(11)控制所述压电陶瓷驱动器(13)持续输出压电信号，以驱动所述压电陶瓷纳米定位器(12)按照纳米级的进给量进行步进；并在步进过程中，所述测量FBG传感器(1)的顶部与所述压电陶瓷纳米定位器(12)的上端表面逐步接触，使得所述InGaAs光电探测器(8)输出的光功率电压信号也持续产生相应变化，同时，所述数据采集卡(10)同步采集经过所述静态锁相放大处理模块处理后的光功率电压信号并传输至所述计算机(11)；

步骤4、所述计算机(11)对步进过程中所接收到的处理后的光功率电压信号进行均值化、最小二乘拟合处理后，建立电压-压电陶瓷纳米定位器输出位移曲线，从而完成微位移的测量。