高精度光學(xué)測(cè)量微位移技術(shù)綜述

1、word 格式文檔高精度光學(xué)測(cè)量微位移技術(shù)綜述*（ * 大學(xué)光電 *學(xué)院，重慶400065 ）摘要微位移測(cè)量技術(shù)在科學(xué)與工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光學(xué)測(cè)量微位移技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、 防爆、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、 重量輕等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了幾種高精度光學(xué)測(cè)量微位移的方法，從激光三角法、激光干涉法、光柵尺法、光纖光柵法、X射線干涉法和F-P干涉法幾個(gè)類別對(duì)各種微位移測(cè)量原理和儀器進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和比較，并對(duì)各種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了歸納，對(duì)光學(xué)微位移測(cè)量方法的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概括。關(guān)鍵詞 ： 微位移測(cè)量，高精度，光學(xué)測(cè)量，發(fā)展趨勢(shì)1 引 言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微小位移的

2、檢測(cè)手段已發(fā)展到多種，測(cè)量準(zhǔn)確度也不斷提高。 目前， 高分辨力微位移測(cè)量技術(shù)主要分為包含電學(xué)、顯微鏡等測(cè)量方法的非光學(xué)測(cè)量技術(shù)和以激光干涉測(cè)量為代表的光學(xué)測(cè)量技術(shù)兩大類。電學(xué)測(cè)量技術(shù)又包括電阻法、電容和電感法以及電渦流法等，其中， 電容和電感法發(fā)展迅速，較為常用。目前，三端電容傳感器可測(cè)出5× 105m的微位移，最大穩(wěn)定性為每天漂移幾個(gè)皮米1。而顯微鏡測(cè)量技術(shù)種類較多，主要有高性能透射電子顯微鏡、 掃描電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡（包括掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）等二十多個(gè)品種2。按光學(xué)原理不同，光學(xué)測(cè)量技術(shù)可分為激光三角測(cè)量3、光杠桿法 1,4、光柵尺測(cè)量法5、光纖位移測(cè)量法5和激

3、光干涉法等，測(cè)量分辨力在專業(yè)資料整理幾十皮米到幾納米之間。此外，利用X 射線衍射效應(yīng)進(jìn)行位移測(cè)量的X 射線干涉技術(shù)近年來(lái)備受關(guān)注，其最大特點(diǎn)是以晶格結(jié)構(gòu)中的原子間距作為溯源標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)皮米量級(jí)的高分辨力，避免了光學(xué)干涉儀的各種非線性誤差6?，F(xiàn)將主要的具有納米量級(jí)及以上分辨力的微位移測(cè)量技術(shù)概括如表1 所示。縱觀位移測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程，如果說(shuō)掃描探針技術(shù)為高分辨力位移測(cè)量領(lǐng)域帶來(lái)了革命性變革，那么近幾十年來(lái)激光技術(shù)的發(fā)展則將該領(lǐng)域帶入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。由表1 可見(jiàn)，目前電容傳感器和SPM 的測(cè)量分辨力也很高，但它們的共同缺陷是當(dāng)溯源至國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位時(shí)，必須借助激光干涉儀等方法進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。根

4、據(jù)1983 年第 17 次度量大會(huì)對(duì)“米”的新定義，激光干涉法對(duì)幾何量值溯源有著天然優(yōu)越性，同時(shí)具有非接觸測(cè)量、分辨力高、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)目前主要的光學(xué)微位移測(cè)量技術(shù)介紹和比較分析。表 1 常用微位移測(cè)量技術(shù)儀器種類分辨力/nm測(cè)量范圍電容傳感器0.05-210nm- 300 m電感傳感器510 mSPM0.051-10 m激光三角測(cè)頭2.5100- 500 m光纖位移傳感器2.530- 100 m雙頻激光干涉儀0.1>10m光柵尺0.1-1070-200mmX 射線干涉儀0.005200 mF-P 干涉儀0.0015nm- 300 m2 光學(xué)微位移測(cè)量技術(shù)概述2.1 激光三角

5、法微位移測(cè)量技術(shù)隨著工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展以及對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量速度的不斷提高，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量已經(jīng)無(wú)法滿足工業(yè)界的需求。而非接觸測(cè)量由于其良好的精確性和實(shí)時(shí)性， 已經(jīng)成為測(cè)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)。電檢測(cè)已經(jīng)成為非接觸測(cè)量的一種主要方法。激光三角法是光電檢測(cè)技術(shù)的一種，由于該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中的長(zhǎng)度、距離以及三維形貌等檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。2.1.1 激光三角法微位移測(cè)量原理在激光三角法中，由光源發(fā)出的一束激光照射在待測(cè)物體平面上，通過(guò)反射最后在檢測(cè)器上成像。當(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在檢測(cè)器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過(guò)像移和實(shí)際位移之間的關(guān)系

6、式，真實(shí)的物體位移可以由對(duì)像移的檢測(cè)和計(jì)算得到。激光三角法的框圖如圖1 所示。其中， 是投影光軸與成像物鏡光軸的夾角，是光電探測(cè)器受光面與成像物鏡光軸的夾角，而 s 和s分別是物距和像距，d 是傳感器上的成像點(diǎn)的偏移，而 為實(shí)際的物體表面的偏移，系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)為偏置距離，D 為從傳感器到被測(cè)表面參考點(diǎn)的距離；測(cè)量范圍為最大能檢測(cè)到的物體表面的偏移，即的最大值； 測(cè)量精度為傳感器的最小測(cè)量單位；分辨率一般指測(cè)量的縱向分辨率，為測(cè)量精度和測(cè)量范圍之比；橫向分辨率為待測(cè)物體表面上所取測(cè)量點(diǎn)的最小間距。1 激光三角法原理圖為了實(shí)現(xiàn)完美聚焦，光路設(shè)計(jì)必須滿足斯凱普夫拉格條件；成像面、 物面和透鏡主面必須

7、相交于同一直線，如圖1 中 X 點(diǎn)所示。系統(tǒng)的非線性的輸入輸出(1)(2)dssins'sin d sin又可以寫為：dABd激光三角法的另一項(xiàng)重要的參數(shù)為線性度，就是三角測(cè)量法輸入和輸出關(guān)系的線 性近似程度?？梢宰C明，在三角測(cè)量中，可以通過(guò)縮小測(cè)量范圍，增大接收透鏡增大三角測(cè)量系統(tǒng)的角度，縮小接收透鏡的放大倍率，達(dá)到線性測(cè)量7。此外，由 (1) 式對(duì) d 求導(dǎo)，得到輸入輸出曲線的斜率，即激光三角法的放大倍率 ：s'ssin sins'sin sin(3)系統(tǒng)的放大倍率決定了系統(tǒng)的分辨率，而放大倍率不但取決于系統(tǒng)參數(shù)， 是像移 d 的函數(shù)。激光三角傳感器特性分析及研究現(xiàn)

8、狀激光三角傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)與非接觸測(cè)量相比，它解決了接觸測(cè)量中接觸側(cè)頭與工件之間的接觸壓力； 解決了接觸側(cè)頭半徑較大帶來(lái)的橫向分辨率問(wèn)題；提高了檢測(cè)速度(kHz極，而接觸式測(cè)量為1Hz 左右 )8。 (2)與其它非接觸方法相比：具有大的偏置距離和大的測(cè)量范圍，對(duì)待測(cè)表面要求較低，而離焦檢測(cè)法和光干涉法等通常只能 測(cè)量非常光滑的表面。此外，三角測(cè)量法還具有如下特點(diǎn)：采用半導(dǎo)體激光器，測(cè)量?jī)x器體積較小9；激光方向性好，光功率高，從而使測(cè)量?jī)x器分辨率高、穩(wěn)定性，測(cè)量精度高；與計(jì)算機(jī)結(jié)合，形成智能測(cè)試系統(tǒng)；在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)；適用范圍廣10。2.1.2 激光三角測(cè)頭基本原理激光三角測(cè)頭主

9、要包含半導(dǎo)體激光器、匯聚透鏡、接收透鏡、光電探測(cè)器件CCD 及后續(xù)處理電路。如圖 2 所示，根據(jù)幾何光學(xué)原理：消去X， Y：2 激光三角側(cè)頭光路圖111l' l fl x l' XyYf l' X f yY(4)(5)(6)1Y cot X(7)與角 之間的關(guān)系式：cot 1 cotl'(8)D1：l sinD1sin(9)物點(diǎn)下移至無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，像面上產(chǎn)生的距離為D2：l 'sinD2sin( )(10)對(duì)公式（4）進(jìn)行微分求得測(cè)頭分辨率：Mll 'sin sinA2N l 'sin N sin(11)2.1.3 激光三角法微位移測(cè)量的發(fā)展

10、趨勢(shì)入射光束的焦深限制：一般的高斯光束聚焦為入射光時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光斑尺寸隨測(cè)量范圍變大而離焦變大的情況，使系統(tǒng)很難滿足高分辨率和大測(cè)量范圍的要求。當(dāng)采用 CCD 為檢測(cè)器時(shí)，相應(yīng)的改進(jìn)方法是采用重心法取CCD 輸出矩形脈沖的中心位置；而采用PSD 為檢測(cè)器時(shí)可以較好的避免光斑形狀的影響，但仍會(huì)影響系統(tǒng)的分辨率。在文獻(xiàn)11 中提出采用無(wú)衍射光束作為光源解決這個(gè)問(wèn)題。由于被測(cè)表面的階越，比如孔或者縫，使得傳感器無(wú)法接受到反射或漫反射光。解決方法有采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的光學(xué)三角傳感器10。被測(cè)面由于顏色、材料、 粗糙度、 光學(xué)性質(zhì)以及表面形狀等方面的差異導(dǎo)致同一光源入射時(shí)，物體表面對(duì)光的反射和吸收程度不同，特

11、別是由于物體表面的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光條有像差。改進(jìn)的方法有，使測(cè)量工作平面 （由傳感器的入射透鏡和接收透鏡的光軸決定的平面）平行于待測(cè)表面的紋理，可接受到足夠的光強(qiáng)，有利于提高測(cè)量分辨率。溫度， 濕度和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境噪聲，會(huì)影響三角測(cè)量法中的系統(tǒng)參數(shù)。除了通過(guò)較好的標(biāo)定方法提高系統(tǒng)的精度，還可以采用雙無(wú)衍射光束作為光源提高系3 零差干涉儀示意圖統(tǒng)的抗噪性12；采用完全對(duì)稱雙面雙光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)和智能控制系統(tǒng)的聯(lián)合，同時(shí)開(kāi)發(fā)更好更快的處理算法，以求最大程度的實(shí)現(xiàn)光電三角法的柔性測(cè)量，在德國(guó)的米銥測(cè)試技術(shù)公司所提出的采用激光三角位移傳感器optoNCDT2200 中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了

12、實(shí)時(shí)被測(cè)物體表面特性差異補(bǔ)償。2.2 激光干涉法微位移測(cè)量技術(shù)激光干涉位移測(cè)量技術(shù)是以激光波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，通過(guò)干涉原理對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。 按照工作原理不同，主要有雙光束干涉和多光束干涉兩種類型。邁克爾遜干涉儀或類似結(jié)構(gòu)是雙光束激光干涉儀主要結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于各種位移測(cè)量場(chǎng)合， 它又分為零差干涉儀和外差干涉儀兩大類。而多光束干涉儀主要指法布里珀羅干涉儀（下文簡(jiǎn)稱法珀干涉儀），它主要用于高分辨力微位移測(cè)量。此外還有其它一些結(jié)構(gòu)類型及相應(yīng)的改進(jìn)型激光干涉儀。2.2.1 激光干涉儀分類及測(cè)量原理（ 1）零差激光干涉儀零差干涉儀是一種較簡(jiǎn)單的位移測(cè)量干涉儀形式，圖 3 為基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的零差干

13、涉儀示意圖。由穩(wěn)頻激光器發(fā)出的光被分光棱鏡分為測(cè)量光束和參考光束，測(cè)量鏡發(fā)生位移時(shí)會(huì)引起光程差的改變，通過(guò)觀測(cè)干涉條紋的移動(dòng)量或由干涉條紋強(qiáng)度分布得到的相位變化即得到被測(cè)位移，基本測(cè)長(zhǎng)公式即：(12)LN L2其中 N 是光電接收器接收到的干涉場(chǎng)固定點(diǎn)明暗變化的次數(shù)。在信號(hào)處理 時(shí)加入移相系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)位移方向的判別。零差干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為廣泛。雖然光學(xué)倍程、電子倍頻、干涉條紋細(xì)分等技術(shù)發(fā)展的使零差干涉儀的測(cè)量精度大為提高，但因受各種誤差因素限制，傳統(tǒng)干涉測(cè)量分辨力只能達(dá)到 /10 /20 。零差干涉儀有個(gè)最大缺陷是光電接收器后的前置放大器只能用直流放大器，對(duì)激光器的頻率穩(wěn)定度和測(cè)量環(huán)

14、境（溫度、振動(dòng)等）要求很高，測(cè)量時(shí)不允許干涉儀兩臂的光強(qiáng)有較大變化。（ 2）外差激光干涉儀外差干涉儀是采用具有一定頻差f 的雙頻光束作為載波信號(hào)的干涉儀，其典型結(jié)構(gòu)如圖4 所示， 測(cè)量鏡位移產(chǎn)生的多普勒頻移使得參考光束和測(cè)量光束的拍頻信號(hào)改變，通過(guò)測(cè)量由f 變化引起的條紋變化量或位相變化量，即得被測(cè) 位移。f2f2雙頻激光器計(jì)算機(jī)1/4波片 分光鏡f1f2檢偏器 1光電探測(cè)器1偏振分光鏡f1-f2檢偏器 21/4波片測(cè)量鏡f1f1+ f(f1+f)-f2光電探測(cè)器24 外差干涉儀示意圖由于即使測(cè)量鏡不發(fā)生位移，干涉儀仍保留f的交流信號(hào)，因此光電接收器后的前置放大器可用交流放大器，可有效抑制外界

15、環(huán)境引起的直流漂移及大部分隨機(jī)噪聲，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度和重復(fù)性。同時(shí)若選用高放大倍數(shù)的交流放大器還可大大降低對(duì)光強(qiáng)的要求。目前， 外差干涉儀的位移測(cè)量分辨力已達(dá)到0。 1nm由于外差干涉儀的抗干擾能力較強(qiáng)，適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，應(yīng)用非常廣泛。但傳統(tǒng)外差干涉儀不可避免地存在由偏振分光鏡分光性能不理想引起的偏振態(tài)和頻率混合現(xiàn)象，從而引起非線性測(cè)量誤差，針對(duì)這一缺點(diǎn)，Wu 等人設(shè)計(jì)了如圖4所示的差動(dòng)式外差干涉儀，它利用聲光調(diào)制晶體實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同偏振態(tài)和頻率的光束的完全分開(kāi)，避免了上述非線性測(cè)量誤差13。2.2.2 激光干涉位移測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)激光干涉位移測(cè)量技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已成為高分辨力位移測(cè)量的最實(shí)用工具

16、之一， 但目前最先進(jìn)的納米加工和測(cè)量技術(shù)多來(lái)自工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)因起步較晚， 與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有差距。根據(jù)激光干涉位移測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和微納米技術(shù)發(fā)展的需要，可以預(yù)想激光干涉位移測(cè)量技術(shù)近期主要有以下幾個(gè)發(fā)展方向： 向亞納米量級(jí)以上高分辨力方向發(fā)展。科技的進(jìn)步以及精密制造業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)位移測(cè)量的分辨力和準(zhǔn)確度提出了更高要求，而且， 當(dāng)前激光干涉位移測(cè)量技術(shù)遇到的一個(gè)普遍問(wèn)題是，作為溯源手段，掃描探針顯微鏡等測(cè)量手技術(shù)比現(xiàn)有最好干涉儀的準(zhǔn)確性至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，即現(xiàn)有的計(jì)量設(shè)備無(wú)法滿足實(shí)際的標(biāo)定和校準(zhǔn)需求，因此具有亞納米甚至更高分辨力新型位移測(cè)量技術(shù)的發(fā)展是大勢(shì)所趨。 改進(jìn)已有測(cè)量技術(shù)的同時(shí)，不斷開(kāi)

17、發(fā)和應(yīng)用新的激光干涉測(cè)量技術(shù)。在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，除激光器的出現(xiàn)將計(jì)量學(xué)帶入一個(gè)新紀(jì)元，尚沒(méi)有代表性的新原理出現(xiàn)，目前做得最多的是進(jìn)一步改進(jìn)和完善已有干涉儀的結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)，將干涉儀與其它方法結(jié)合成為納米測(cè)量發(fā)展的一大趨勢(shì)，如前面提到的將X 射線干涉測(cè)量技術(shù)與激光干涉儀結(jié)合彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)的方法14。 解決高分辨力與大測(cè)量范圍之間的矛盾。未來(lái)的位移測(cè)量要求在數(shù)十毫米以上的范圍內(nèi)達(dá)到亞納米級(jí)以上分辨力，依靠單一的測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合多種測(cè)量方法以彌補(bǔ)各自的不足是解決矛盾的突破口。同時(shí)， 提高信號(hào)處理能力、提高測(cè)量系統(tǒng)中機(jī)械部分的裝配和運(yùn)動(dòng)精度、改善光源質(zhì)量、降低外界環(huán)境干擾等都是大范圍高分辨力位移測(cè)

18、量努力的方向。2.3 光柵尺微位移測(cè)量技術(shù)2.3.1 光柵尺微位移測(cè)量原理光柵尺測(cè)量的基本原理為：標(biāo)尺與掃描掩模之間的相對(duì)移動(dòng)，在光源照射下形成莫爾條紋，莫爾條紋經(jīng)過(guò)光電傳感器轉(zhuǎn)換為近似的正余弦電信號(hào)，就是原始的光柵掃描信號(hào)。然后采用不同的電子細(xì)分法，得到不同測(cè)量步距的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)， 脈沖信號(hào)一般是兩路正交的信號(hào)，這兩路信號(hào)接入后續(xù)的可逆計(jì)數(shù)電路，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值再乘以測(cè)量步距則為光柵尺的位移測(cè)量值。光柵尺測(cè)量的最大允許移動(dòng)速度是由光柵尺的輸出頻率及光柵掃描信號(hào)的信號(hào)周期決定的，它們有如下關(guān)系：Vmax fmax sp(13)式中， Vmax 為光柵尺最大允許移動(dòng)速度，單位：mm/s ； fma

19、x 為光柵尺最大輸出頻率，單位：kHz； sp 為光柵信號(hào)的信號(hào)周期，單位：在光柵信號(hào)的信號(hào)周期不變的前提下，Vmax 與光柵尺輸出頻率成正比。測(cè)量步距對(duì)應(yīng)著分辨率，若提高電子細(xì)分電路的細(xì)分倍頻數(shù)，則分辨率提高（測(cè)量步距減小），由于受到電子細(xì)分電路的響應(yīng)頻率及后續(xù)計(jì)數(shù)電路的輸入頻率的限制， 隨著細(xì)分倍數(shù)的提高，光柵尺的輸出頻率下降，則測(cè)量的最大允許速度下降，所以光柵尺的測(cè)量步距與測(cè)量的最大允許移動(dòng)速度Vmax 成反比。因此，用于高速測(cè)量的光柵尺（最大允許移動(dòng)速度1 m/s） ，其分辨率一般為微米級(jí)（0。 12 m），而用于低速測(cè)量的光柵尺（速度500 mm/s） ，分辨率可達(dá)到納米級(jí)（1 50

20、 nm） 。2.3.2 雙光柵尺位移測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)雙光柵尺位移測(cè)量?jī)x的構(gòu)成框圖如圖5 所示，由直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、粗光柵尺、精光柵尺、雙光柵尺處理電路FPGA 和 ARM LPC2138 組成。粗光柵尺采用英國(guó) RENISHAW公司的 RGB25X 型，測(cè)量步距0。 5 m（分辨率）；精光柵尺采用英國(guó) RENISHAW公司的 RGB25X 型，測(cè)量步距10nm（ 分辨率 ）。雙光柵尺處理電路采用Altera 公司 Cyclone III 系列 EP3C80F484 型號(hào)的FPGA，并擴(kuò)展液晶顯示、RS-232接口、鍵盤等外圍設(shè)備15。5 光柵尺位移測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)2.4 光纖光柵微位移測(cè)量技術(shù)目前， 國(guó)內(nèi)外對(duì)

21、布拉格光纖光柵(in-fiber bragg grating ， FBG)傳感系統(tǒng)研究多基于傳統(tǒng)應(yīng)變片式，如一種同時(shí)測(cè)量溫度與壓力的FBG 傳感器，但其FBG粘貼在應(yīng)變片上，屬于傳統(tǒng)的應(yīng)變式傳感器，且測(cè)量力較大(10N) 16，不能滿足微器件、微尺寸測(cè)量的需要。因此，研究具有納米級(jí)精度的FBG 微位移測(cè)量系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。2.4.1 光纖光柵微位移測(cè)量原理基于 FBG 可調(diào)諧微位移測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)架如圖所示，系統(tǒng)主要包括ASE 光源、測(cè)量 FBG 探針式測(cè)頭、FBG 可調(diào)諧匹配法解調(diào)系統(tǒng)&系統(tǒng)信號(hào)處理等部分。當(dāng)測(cè)量 FBG 受到軸向應(yīng)變時(shí)，其中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)可調(diào)諧匹配法

22、解調(diào)波長(zhǎng)，高靈敏度探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將電壓信號(hào)上傳到上位機(jī)。信號(hào)發(fā)生器和HPV 型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源提供高壓鋸齒波，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，掃描測(cè)量FBG 的信號(hào)。圖 6 光纖光柵微位移測(cè)量系統(tǒng)框圖在 FBG 光纖光柵傳感系統(tǒng)中，信號(hào)解調(diào)是傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它將直接影響整個(gè)傳感系統(tǒng)的測(cè)量分辨率，因此解調(diào)方法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)$該設(shè)計(jì)采用可調(diào)諧匹配光纖光柵法，這種解調(diào)方案的優(yōu)點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高。其解調(diào)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，寬帶光源經(jīng)過(guò)2 ×2 耦合器 1 進(jìn)入到測(cè)量FBG 中，從測(cè)量 FBG 中反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)2 ×2耦合器 2 入射到

23、匹配FBG 中，用探測(cè)器檢測(cè)從匹配光柵反射的能量大小。因此，探測(cè)器接收到的能量是測(cè)量FBG 和匹配FBG 的反射譜重合的部分能量。當(dāng)測(cè)量 FBG 與匹配 FBG 中心波長(zhǎng)重合時(shí)，探測(cè)器接受光能最大，當(dāng)測(cè)量FBG 受到應(yīng)變影響時(shí)，測(cè)量FBG 的波長(zhǎng)發(fā)生漂移，從而使匹配光柵反射的能量產(chǎn)生變化，探測(cè)器接收到的能量發(fā)生變化，利用壓電陶瓷拉伸匹配FBG 掃描整個(gè)設(shè)計(jì)光譜范圍，搜尋最大的接收光能，從而找到測(cè)量FBG 的新中心波長(zhǎng)的位置，再經(jīng)過(guò)后繼信號(hào)處理，完成波長(zhǎng)解調(diào)。2.5 X 射線干涉法微位移測(cè)量技術(shù)2.5.1 X 射線干涉法測(cè)量原理X 射線的早期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，x 射線的波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)約為1 人，又知道

24、晶體Laue 在 1912 年建議用晶體作為x 射線的衍射光柵閉17。讓x 射線柱通過(guò)硫酸銅(CuSO4) 晶體，在它后面的感光膠片上就能拍攝到中心黑點(diǎn)(正片就是明點(diǎn))和圍繞中心對(duì)稱分布的一些明點(diǎn)圖樣，叫作Laue 圖。很明顯，中心明點(diǎn)與光柵對(duì)可見(jiàn)光的衍射一樣是零級(jí)最大值，而外圍明點(diǎn)則是由于晶體原子的外層電子在x 射線的作用下，二次發(fā)射的散射光所迭加的效果。3圖 7 晶體點(diǎn)陣示意圖晶體是由原子或原子團(tuán)的點(diǎn)陣組成的，即由晶胞(unit cell) 的重復(fù)排列組成的。單色x 射線柱沿與晶面成角的方向入射(這和可見(jiàn)光與晶面法線的夾角不同 )。在結(jié)晶學(xué)里就規(guī)定是入射角，并稱之為掠射角(glancnig

25、) 。入射到晶體的 x 射線， 部分被層形點(diǎn)陣的第一層所反射，部分進(jìn)入晶體內(nèi)部。進(jìn)入晶體內(nèi)部的 x 射線， 會(huì)被層形點(diǎn)陣的2、 3、 等層所反射。設(shè)晶體的面間距(interplannarspacing) 為 d，則由圖7 得：sin AB(14)d即：AB BC d sin(15)于是 1 、 2 層的光程差為2d sin ，因此，各層反射線滿足相助的條件為：2d sin p , p0,1,2.(16)2.5.2 X 射線干涉儀原理X 射線干涉儀利用穩(wěn)定性為10-8 的單晶硅晶格作為標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)微位移測(cè)量，因而具有亞納微米測(cè)量精度。X射線干涉儀原理圖如圖8 所示， 包括三個(gè)平行且晶格方向完全一致的

26、單晶硅晶片（分束器S、鏡子M 和分析器A） ，當(dāng) X射線以布拉格角入射到分束器S 時(shí)，根據(jù)X 射線衍射動(dòng)力學(xué)理論，它被分成兩束相干光，這兩束相干光經(jīng)過(guò)鏡子M 后又各自分成兩束光，其中的兩束光在分析器處相交形成空間駐波場(chǎng)，其周期等于所用晶格的晶面間距。再經(jīng)過(guò)分析器衍射，在分析器后形成宏觀的干涉條紋，當(dāng)分析器A 沿垂直于衍射晶面方向移動(dòng)時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)晶格，干涉條紋就會(huì)變化一個(gè)周期。通過(guò)計(jì)算移動(dòng)的干涉條紋，乘以晶面間距，即可得到分析器移動(dòng)的位移。2.6 F-P 微位移測(cè)量技術(shù)利用光纖干涉儀測(cè)量位移，是當(dāng)前世界各國(guó)科技界研究的熱點(diǎn)之一?；诠鈴?qiáng)的 F-P 位移傳感器，光源和光探測(cè)器分別位于F-P 的兩

27、端，由探測(cè)器探測(cè)F-P傳感器的透射光譜。其檢測(cè)原理是F-P 的輸出光強(qiáng)隨F-P 腔長(zhǎng)而變化。通過(guò)探測(cè)光強(qiáng)的變化而探測(cè)F-P 的腔長(zhǎng)，從而探測(cè)出待測(cè)位移。F-P 腔長(zhǎng)與光強(qiáng)之間的關(guān)系是高階非線性的，因而處理比較困難。為了克服光強(qiáng)型F-P 傳感器測(cè)量結(jié)果受光源波動(dòng)影響、難以識(shí)別位移方向等缺點(diǎn)18。 利用 F-P干涉光譜相鄰波峰之間的 波長(zhǎng)關(guān)系測(cè)量微位移的傳感技術(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)其位移分辨力可達(dá)納米級(jí)。2.6.1 F-P 微位移測(cè)量原理強(qiáng)度型光纖傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單。這類傳感器包括M-Z 干涉儀、邁克耳孫干涉儀、Sagnac 干涉儀、F-P干涉儀、以及偏振光纖傳感器等。為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，強(qiáng)度型光纖傳感器

28、往往需要較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。光強(qiáng)型 F-P傳感器的測(cè)量精度雖比其他光強(qiáng)型位移傳感器高，但其測(cè)量是一種相對(duì)測(cè)量，僅能識(shí)別F-P腔長(zhǎng)的相對(duì)變化，而難以辨別腔長(zhǎng)是伸長(zhǎng)或縮短，即難以辨別位移方向，且當(dāng)位移達(dá)到光強(qiáng)的極值點(diǎn)時(shí)，將難以探測(cè)其變化。F-P測(cè)量系統(tǒng)如圖9 所示。 寬帶光源(BBS)發(fā)出的光經(jīng)F-P干涉后， 得到圖中的梳狀波，相鄰波峰中心波長(zhǎng)1 和 2 與 F-P 腔長(zhǎng) L 的關(guān)系為：L 1 2(17)221圖 9 F-P 法測(cè)量系統(tǒng)原理圖由 (17) 式，根據(jù)相鄰波峰之間的距離變化就可測(cè)出F-P 腔長(zhǎng)的變化，從而也就測(cè)出了待測(cè)位移的變化。該方法消除了光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可使測(cè)量系統(tǒng)具有更強(qiáng)的

29、抗干擾能力。而且可通過(guò)F-P腔長(zhǎng)與干涉光譜波峰之間距離的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)位移量的絕對(duì)測(cè)量。2.6.2 法布里-珀羅干涉儀原理法布里珀羅干涉儀是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，其中兩塊玻璃板相對(duì)的內(nèi)表面都具有高反射率。法布里珀羅干涉儀也經(jīng)常稱作法布里珀羅諧振腔，其示意圖如圖10 所示。玻璃 1 與玻璃 2 相鄰兩平面鍍有光學(xué)高反膜，且兩平面平行，組成光學(xué)諧振腔，該腔可以透過(guò)單一光譜的光。寬帶平行光ll ln經(jīng)過(guò)該光學(xué)諧振腔后，只有單色光 l m 透過(guò)， 其他波長(zhǎng)全部按原光路返回。當(dāng)諧振腔長(zhǎng)度改變時(shí)，透過(guò)波長(zhǎng)也隨之改變，因此可以通過(guò)波長(zhǎng)與腔長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)透射和反射譜線分析進(jìn)行微位移的

30、測(cè)量。由于透過(guò)波長(zhǎng)為單一波長(zhǎng)，因此F-P 腔在分析和計(jì)算方面比較精確。3 結(jié)束語(yǔ)本文介紹了六種光學(xué)微位移測(cè)量技術(shù)，包括激光三角法、激光干涉法、光柵尺測(cè)量法、光纖光柵測(cè)量法、X射線干射法以及F-P測(cè)量法。對(duì)各方法測(cè)量原理進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)每種方法所用到的儀器進(jìn)行了介紹和對(duì)比。雖然目前有許多種方法可實(shí)現(xiàn)高分辨力微位移測(cè)量，但從技術(shù)嫻熟度和可塑性方面，激光干涉發(fā)都是當(dāng)前和近期高準(zhǔn)確度微位移測(cè)量方法的主流。高分辨力干涉微位移測(cè)量技術(shù)的發(fā)展以及新技術(shù)在微位移測(cè)量中的應(yīng)用正日益受到重視。參考文獻(xiàn)1 趙曦 , 賈曦 , 黃薦渠 . 現(xiàn)代長(zhǎng)度測(cè)量方法綜述J. 自動(dòng)化儀表, 2007, 28(11): 12.2

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