[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

说明书

本发明公开了一种皮米量级分辨力的微位移测量系统及测量方法，该系统包括探针模块、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，其中探针模块包括：测量FBG传感器、匹配FBG传感器、精密不锈钢针管、外部支架；光路模块包括：ASE宽带光源、第一环形器、第二环形器、InGaAs光电探测器；上位机采集处理模块包括：数据采集卡、计算机；微位移驱动模块包括：压电陶瓷纳米定位器、压电陶瓷驱动器、三维精密微动台。本发明能实现对微位移的检测，具有皮米量级的微位移测量分辨力，以及纳米量级的灵敏度和较低的噪声水平，从而具有对测量环境干扰的鲁棒性较强，工作稳定、性能较好且成本较低的优点。

技术领域

本发明涉及微纳测量，更具体的说是一种基于光纤布拉格光栅传感原理的微位移测量系统及其测量方法。

背景技术

近年来纳米科技发展迅速，半导体技术、微电子技术、微机电系统(MEMS)等迅速发展，现代制造业精度迅速提高。制造出的微型器件的几何尺寸几乎都在微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术设备。

小型的三坐标测量机及各类探针测量系统是高精度微纳测量领域的核心技术与仪器，这些设备通常具有微纳米量级特征尺寸的探针尖端、以及高灵敏度的敏感元件，以提高测量灵敏度和扩大适用范围。近些年来，世界上有多家研究机构都展开了微纳米测量的相关研究，研究出了基于各种原理的多种纳米级探头测量系统，可以实现微米量级的测量满量程和纳米量级的测量分辨力。三坐标测量机中常用的接触触发式探头，由于预行程的存在、接触瞬间测端测球产生的“高尔夫球效应”、以及检测系统灵敏度的限制，导致触发点的准确捕捉比较困难，因此阻碍了其测量精度和分辨力的提升。

光纤布拉格光栅(FBG)是一种新型无源光学传感器，具有尺寸小、灵敏度高、线性测量范围大、抗电磁干扰等优点，是微纳测量领域的优良传感器件，因此被广泛用于制作微纳探针测量系统以及测量系统中的敏感元件。例如，武汉理工大学的李瑞亚等人提出了一种基于光纤布拉格光栅的位移传感器，利用一种改进的杠杆结构直接拉伸两个光纤光栅，该设计在0-300μm的范围内，分辨力可达到42nm。哈尔滨工业大学的冯昆鹏也提出一种基于自组装原理的四芯锥形光纤光栅探针的制备方法，该方法直接以四芯锥形光纤光栅变形感知三维触测位移，测量系统径向量程达到4μm，分辨力为30nm，轴向量程为0.8μm，分辨力可以达到10nm。当前，基于FBG探针的微纳测量系统的分辨力大多集中在十至几十纳米，随着纳米科技和微器件制造精度的发展，将会对微纳测量系统的分辨力提出更高的要求，甚至达到皮米量级。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种皮米量级分辨力的微位移测量系统及测量方法，以期能可靠的获得跟随微位移变化的光功率电压信号，建立电压-压电陶瓷纳米定位器输出位移曲线，从而能实现对小于纳米量级的微位移的识别与检测。

本发明为解决技术问题采用如下的技术方法：

本发明一种皮米量级分辨力的微位移测量系统的特点包括：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、匹配FBG传感器、精密不锈钢针管、外部支架；

所述精密不锈钢针管夹持在所述外部支架上；所述测量FBG传感器与所述匹配FBG传感器并列封装在所述精密不锈钢针管内，且所述测量FBG传感器的光纤端面到所述精密不锈钢针管底部的距离小于所述匹配FBG传感器的光纤端面到所述精密不锈钢针管底部的距离，从而形成双FBG自补偿解调结构；

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