光纖測量有關(guān)微位移測量

1、高精度光學(xué)測量微位移技術(shù)綜述摘要：光纖測量技術(shù)由于自身具有分辨率高而且測量范圍大的優(yōu)勢，使其的應(yīng)用越來越重要和廣泛。本文綜合概述了光纖測量技術(shù)的基本原理，以及幾種光纖測量的方法及特性和相關(guān)的應(yīng)用。并于傳統(tǒng)的非光學(xué)檢測進(jìn)行比較，進(jìn)而得出光纖測量技術(shù)的優(yōu)勢以及未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵字：光纖測量技術(shù)；測量方法特性；發(fā)展方向；應(yīng)用0引言 隨著光纖技術(shù)理論的不斷深化，光纖制造工藝日臻完善，各種類型的光纖元器件逐步商品化，為光纖測試技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)和物理基礎(chǔ)。由于光纖有良好的傳光特性（對光波的損耗目前可低達(dá)0.2dB/km），有比微波高6個(gè)數(shù)量級耳朵寬頻帶，再加上光纖本身就是一種敏感元件，光在光纖中

2、傳輸時(shí)振幅、相位、偏振態(tài)等將隨著檢測對象的變化而變化。因此，用光纖制作的傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如低損耗、體積小、重量輕、耐腐蝕、成本低等，廣泛應(yīng)用于國防軍事、航空航天、計(jì)量測試等各種領(lǐng)域。1光纖測量技術(shù)概述光纖測量技術(shù)在計(jì)量測試中有廣泛的應(yīng)用，按光學(xué)原理不同，光學(xué)測量技術(shù)可分為激光三角測量、光杠桿法、光柵尺測量法、光纖位移測量法和激光干涉法等，測量分辨力在幾十皮米到幾納米之間。衍射效應(yīng)進(jìn)行位移測量的X射線干涉技術(shù)近來年備受關(guān)注1，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)皮米量級的高分辨率，減小了光學(xué)干涉儀的各種非線性誤差，但它普遍用于金屬研究和材料測試

3、的常規(guī)方法。電學(xué)根據(jù)原理不同可以分為電容測量、電感測量、掃描探針測量。其分辨率在零點(diǎn)幾到幾納米之間而且范圍廣泛。2光學(xué)檢測2.1激光三角測量在激光三角法中，由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體平面上，通過反射最后在檢測器上成像。當(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過像移和實(shí)際位移之間的關(guān)系式,真實(shí)的物體位移可以由對像移的檢測和計(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

4、表面參考點(diǎn)的距離；測量范圍為最大能檢測到的物體表面的偏移，即 的最大值；測量精度，傳感器的最小測量單位；分辨率一般指測量的縱向分辨率，為測量精度和測量范圍之比；橫向分辨率為待測物體表面上所取測量點(diǎn)的最小間距。圖1 激光三角法的原理框圖為了實(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函數(shù)為： (1)又可以寫為： (2)其中：， 為三角測量系統(tǒng)的固定參數(shù)。當(dāng)物體偏移較小時(shí)，(1)式可以近似為線性關(guān)系： (3)激光三角法的另一項(xiàng)重要的參數(shù)為線性度，就是三角測量法輸入和輸出的關(guān)系的線性近似程度。可以證明，在三角測量中

5、，可以通過縮小測量范圍，增大接收透鏡的共軛距，增大三角測量系統(tǒng)的角度，縮小接收透鏡的放大倍率，達(dá)到線性測量的結(jié)果2。此外，由(1)式對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。 (4)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)，還是像移d函數(shù)。激光三角傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)與非接觸測量相比，它解決了接觸測量中接觸側(cè)頭與工件之間的接觸壓力；解決了接觸側(cè)頭半徑較大帶來的橫向分辨率問題；提高了檢測速度（kHz 極，而接觸式測量為1Hz左右)。(2)與其它非接觸方法相比：具有大的偏置距離和大的測量范圍，對待測表面要求較低，而離焦檢測法和光干涉法等通常只能測量非常光

6、滑的表面。此外，三角測量法還具有如下特點(diǎn)：采用半導(dǎo)體激光器，測量儀器體積較小；激光方向性好，光功率高，從而使測量儀器分辨率高、 穩(wěn)定性，測量精度高；與計(jì)算機(jī)結(jié)合，形成智能測試系統(tǒng)；在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)在線檢測；適用范圍廣。但激光三角傳感器的還是需要解決的地方激光三角傳感器的主要問題及相應(yīng)的解決方法。在傳感器系統(tǒng)方面：(1)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量范圍的要求。當(dāng)采用CCD為檢測器時(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 為檢測器時(shí)可以較好的避免光斑形狀的影響，但仍會(huì)

7、影響系統(tǒng)的分辨率。在文獻(xiàn)中提出采用無衍射光束作為光源解決這個(gè)問題。(2)光學(xué)系統(tǒng)的像差使得物體上任一點(diǎn)發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后，不能匯聚于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)彌散斑或者使像不能嚴(yán)格表現(xiàn)出原物的形狀。相應(yīng)的改進(jìn)方法是在接收透鏡的設(shè)計(jì)中考慮像差的因素。(3)非線性的輸入和輸出之間的關(guān)系。改進(jìn)的方法有，通過較優(yōu)的標(biāo)定方法制作查找表，之后在測量過程中查表得到具體的物體位移值。在待測物體方面：(1)由于被測表面傾斜產(chǎn)生的陰影和死區(qū)對測量產(chǎn)生的影響，相應(yīng)的方法有，采用聲光調(diào)制器(AOD)發(fā)出的衍射光從兩個(gè)方向?qū)Ρ粶y物進(jìn)行掃描的雙向掃描三角測量法,使用單光源，雙檢測器，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的激光雙三角法。(2)由

8、于被測表面的階越，比如孔或者縫，使得傳感器無法接受到反射或漫反射光。解決方法有采用旋轉(zhuǎn)對稱性的光學(xué)三角傳感器。(3)被測面由于顏色、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)，物體表面對光的反射和吸收程度不同，特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)平行于待測表面的紋理，可接受到足夠的光強(qiáng)，有利于提高測量分辨率。(4)高度鏡面反射使得像點(diǎn)會(huì)被散斑噪聲腐蝕。解決方法：（1)在金屬表面噴上一層不光滑的涂料降低金屬表面的反射率； （2)采用線性偏振光作為光源，利用了線性偏振光

9、的參數(shù)隨著金屬表面的鏡面反射改變的現(xiàn)象。在外界環(huán)境影響方面：(1)溫度，濕度和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境噪聲，會(huì)影響三角測量法中的系統(tǒng)參數(shù)。除了通過較好的標(biāo)定方法提高系統(tǒng)的精度，還可以采用雙無衍射光束作為光源提高系統(tǒng)的抗噪性；采用完全對稱雙面雙光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(2)外界和環(huán)境光線的干擾，解決方法有采用PSD檢測器時(shí)使用調(diào)制法電路；使用偏振光為光源 ； 使用窄帶濾光片隔離環(huán)境光。根據(jù)激光三角法的問題以及改進(jìn)，作者認(rèn)為激光三角測量的發(fā)展趨勢主要可以概括為以下幾個(gè)方面：(1)通過引入新的光學(xué)器件、 先進(jìn)的傳感器技術(shù)以及精確的測量算法，不斷提高其測量精度和測量速度，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)測量系統(tǒng)的穩(wěn)健性；(2)改進(jìn)系統(tǒng)的硬

10、件架構(gòu)，如采用多傳感器信息融合，通過多光源，多傳感器的信息融合，更好的實(shí)現(xiàn)深度信息獲??；(3)通過和智能控制系統(tǒng)的聯(lián)合，同時(shí)開發(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量，在德國的米銥測試技術(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)了實(shí)時(shí)被測物體表面特性差異補(bǔ)償。2.2.光纖位移測量位移是指物體位置對參考點(diǎn)產(chǎn)生的偏移量。位移測量包括線位移或角位移。線位移是指物體相對于某參考坐標(biāo)系一點(diǎn)的距離的變化量,它是描述物體空間位置變化的物理量3。若物體沿直線方向運(yùn)動(dòng)的位移量稱之為直線位移,它是描述物體在平面內(nèi)直線位置變化的物理量。對于線位移而言基本與長度測量為同

11、一范疇,人們習(xí)慣上常把某一固定的測量如物體的長度、直徑等稱之為長度測量,而把在工作中變化的尺寸測量稱之為位移測量。所以測量長度及位移的儀表往往在一定條件下可以通用。位移測量技術(shù)是振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、加速度、溫度、流量等測量技術(shù)的基礎(chǔ),這是因?yàn)樵诒姸嗟奈锢砹恐?位移與其它機(jī)械量相比,是既容易檢測又容易獲得高精度的檢測結(jié)果,所以測量中常采用將被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成位移量來檢測的方法,例如將壓力轉(zhuǎn)換成膜的位移、將加速度轉(zhuǎn)換成重物的位移等。因此,人們在很早以前就認(rèn)識到測量位移的重要性,位移測量也是精密計(jì)量領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。長期的生產(chǎn)實(shí)踐使我們認(rèn)識到,物體的位移測量在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有重要作用。比如機(jī)器運(yùn)

12、動(dòng)部件的不均勻性,將產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和噪聲,破壞機(jī)器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,因此,常常需要測量運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)的不均勻性,而常用的方法是位移型測量方法,即測量出運(yùn)動(dòng)部件相對于參考坐標(biāo)系的位移量一時(shí)間的曲線,來表明運(yùn)動(dòng)是否均勻。對于機(jī)械加工行業(yè)而言,實(shí)時(shí)的位移測量可以用來預(yù)測機(jī)床在理想加工條件下所能達(dá)到的最小形狀誤差和粗糙度,判斷產(chǎn)生加工誤差的原因和評定機(jī)床主軸的工作精確度。此外,位移測量不但在工業(yè)領(lǐng)域,而且在環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用,比如,武器部件在充氣加壓時(shí),常常需要對其某部位的變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,以此來考核武器部件的承壓能力,因此,位移測量反映出物體部件的結(jié)構(gòu)性能,為設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。光纖測量技術(shù)相

13、對于傳統(tǒng)測量技術(shù),是一種新型檢測技術(shù),其主要優(yōu)點(diǎn)是:1.抗電磁干擾、耐腐蝕、適用于火險(xiǎn)高危的環(huán)境。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息,而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì),因而不怕強(qiáng)電磁干擾,也不影響外界的電磁場,并且安全可靠。這使它在各種大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便有效地傳感。2.靈敏度高、響應(yīng)快。利用長光纖和光波干涉技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。其中有的已由理論證明,有的已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,如測量水聲、加速度、輻射、溫度、磁場等物理量的光纖傳感器,都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。3.重量輕,體積小,外形可變。光纖除具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外,還有可撓的優(yōu)

14、點(diǎn),因此利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。4.測量對象廣泛。目前已有性能不同的測量溫度、壓力、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。這一系列優(yōu)點(diǎn),使人們能夠在各種苛刻的條件下,對物體位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外,光纖測試所具有的一些其它長處,如設(shè)計(jì)簡單,穩(wěn)定可靠,易于用電路和計(jì)算機(jī)處理所獲得的測量數(shù)據(jù)等,也使光纖傳感器遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)傳感器,所以使用光纖傳感器測量位移是位移測量的理想方案。2.3光柵尺光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的

15、光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用余數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中?？捎米髦本€位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)為：圖2 1-光源；2-透鏡；3-指示光柵；4-光敏元件；5-驅(qū)動(dòng)線路2.4 X射線干涉法利用X射線相繼通過多塊布格衍射晶體后產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象來研究晶體缺陷和測定晶體基本參量的一種高精度技術(shù)。1965年第一臺X射線干涉儀的出現(xiàn)，開辟了X射線光學(xué)的新領(lǐng)域。常用的X射線干涉儀可分為兩類。三晶干涉儀是1965年U.邦澤和M.哈特研制成功透射型X射線干涉儀。隨后，X射線干涉技術(shù)和理論得到迅速發(fā)展，先后出現(xiàn)了反射型(1966)

16、和混合型(1968)等多種類型的干涉儀,其光學(xué)原理及衍射束強(qiáng)度分布均由X射線衍射動(dòng)力學(xué)平面波理論及球面波理論得到解釋。 圖3 三晶LLL透射型 X射線干涉儀幾何示意圖分束器S、鏡面 M和分析器A三者同在一塊完整晶體上加工而成。當(dāng)X射線入射到S，從衍射動(dòng)力學(xué)理論可知，對于“厚”晶體，t10,和t分別為晶體的吸收系數(shù)和厚度，只有布洛赫波的波節(jié)與散射原子平面重合的一支偏振波能通過晶體,其透射波離開S時(shí)分成相干的直射束和衍射束。鏡面 M的作用是使兩束分離的相干X射線重合，在分析器A前面產(chǎn)生駐波干涉條紋。分析器 A的作用是把原子尺度的駐波干涉條紋放大為宏觀尺度的X射線疊柵條紋。如果S、M、A晶片嚴(yán)格相同

17、并嚴(yán)格對準(zhǔn)，那么在垂直于直射束或衍射束的觀察面上只看到均勻的X射線強(qiáng)度分布,但若干涉儀內(nèi)某一組元點(diǎn)陣參量或取向發(fā)生微小變化，都會(huì)使疊柵條紋產(chǎn)生相應(yīng)的變化。疊柵條紋垂直于兩倒易矢量之差，其間距與兩倒易矢量之差的絕對值成正比。二晶干涉儀的兩塊晶片由同一塊晶體加工而成，當(dāng)兩組元同時(shí)滿足布喇格定律，并且，它們之間存在點(diǎn)陣參量或取向的微小差別，即會(huì)產(chǎn)生疊柵條紋。1951年，有人首先在電子顯微鏡上觀察到此現(xiàn)象。1965年日本的千川純一觀察到X射線的這種現(xiàn)象。圖4 二晶干涉儀的幾何示意圖X射線通過分束器S,相干的直射束和衍射束在出射面附近部分重疊，產(chǎn)生駐波干涉。通過分析器A觀察到放大的X射線疊柵條紋。X射線

18、干涉儀的應(yīng)用：X射線干涉術(shù)是一種高精度的檢測技術(shù),在晶體缺陷研究方面，可用來觀察缺陷所引起的微小點(diǎn)陣參量失配(精確度達(dá)d/d10-8)，晶體點(diǎn)陣中的微小角偏轉(zhuǎn)（精度達(dá)10-8弧度）,精確測定位錯(cuò)的伯格斯失量以及用作X射線相差顯微鏡；在晶體學(xué)基本參量測量方面,用來精確測定 X射線折射率、晶胞參量以及晶體結(jié)構(gòu)因子等基本參量；在計(jì)量學(xué)方面,可與光學(xué)干涉儀配合用作X射線波長的精確測定以及測定晶體材料的阿伏伽德羅常數(shù)，這是探索建立質(zhì)量自然基準(zhǔn)中很有希望的一種方案4。2.5光纖F-P干涉法Fabry-Perot干涉型光纖傳感器是一種采用單根光纖、利用多光束干涉原理來監(jiān)測被測量的變化，克服了M-Z干涉儀和S

19、agnac干涉儀結(jié)構(gòu)光纖傳感器中的偏振衰落現(xiàn)象，是目前歷史最長、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為普遍的一種光纖傳感器。它是在光纖內(nèi)制造出兩個(gè)反射端面，從而形成一個(gè)腔長為 L 的微腔。當(dāng)相干光束沿光纖入射到此微腔時(shí)，光在微腔的兩端面反射后沿原路返回、并相遇而產(chǎn)生干涉。當(dāng)外界參量（力、變形、位移、溫度、電壓、電流、磁場等）以一定方式作用于此微腔，使其相位差 發(fā)生變化，導(dǎo)致其干涉輸出反射光強(qiáng)也發(fā)生相應(yīng)變化5。根據(jù)此原理，就可以從反射光強(qiáng)信號的變化導(dǎo)出微腔的長度/折射率、乃至外界參量的變化，實(shí)現(xiàn)各種參量的傳感6-9。例如，將光纖 F-P 腔直接固定在變形對象上，則對象的微小變形就直接傳遞給F-P腔，導(dǎo)致輸出光的

20、變化，從而形成光纖 F-P應(yīng)變/應(yīng)力/壓力/振動(dòng)等傳感器；將光纖 F-P 腔固定在熱膨脹系數(shù)線性度好的熱膨脹材料上，使腔長隨熱膨脹材料的伸縮而變化，則構(gòu)成了光纖F-P溫度傳感器；若將光纖 F-P 腔固定在磁致伸縮材料上，則構(gòu)成了光纖F-P 磁場傳感器；若將光纖 F-P 腔固定在電致伸縮材料上，則構(gòu)成了光纖F-P電壓傳感器等。F-P 干涉型光纖傳感器對任何導(dǎo)致其相位差 發(fā)生變化的物理量靈敏度極高，而且傳感區(qū)域很小，在很多應(yīng)用時(shí)可被視為“點(diǎn)”測量；加之其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、響應(yīng)速度快、復(fù)用能力強(qiáng)等優(yōu)勢，自從問世以來就受到人們的普遍關(guān)注，并成為近年來光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。F-P

21、 干涉型光纖傳感器的研究主要包括光纖 F-P 傳感探測頭的設(shè)計(jì)、傳感器解調(diào)機(jī)理以及傳感器復(fù)用等方面。作為F-P干涉型光纖傳感器的核心，光纖 F-P 傳感探測頭及其特性得以廣泛的研究。經(jīng)過二十幾年的努力，各種新穎的光纖 F-P 傳感探測頭和制作方法層出不窮，并且向著微型化、全光纖化、智能化方向發(fā)展。為了對光纖 F-P 傳感探測頭有一個(gè)較系統(tǒng)的認(rèn)識，本章接下來會(huì)對其結(jié)構(gòu)形式以及應(yīng)用進(jìn)行一個(gè)簡要的介紹，然后再討論其目前所面臨的問題，以便為對其進(jìn)行進(jìn)一步研究起到指導(dǎo)作用。F-P干涉儀的應(yīng)用： F-P干涉儀有不同的制作工藝，從而產(chǎn)生出不同的類型的F-P 干涉儀，根據(jù)光纖 F-P 傳感探測頭的不同結(jié)構(gòu)，F(xiàn)

22、-P 干涉型光纖傳感器可以被分為三大類：本征型光纖 F-P 干涉?zhèn)鞲衅鳌⒎潜菊餍凸饫w F-P 干涉?zhèn)鞲衅?、以及在線型光纖F-P 干涉?zhèn)鞲衅?0。這三種干涉?zhèn)鞲衅鞯谋举|(zhì)都是利用待測量引起其腔長的變化，再將干涉信號經(jīng)由探測器或轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行處理，求出腔長的變化從而得出待測量的變化。其中本征型F-P干涉儀傳感器的干涉腔是一段光纖，干涉腔中的光波仍然沿著纖芯傳輸，因此腔長不會(huì)受到衍射的制約，可以做得很長，目前已經(jīng)證實(shí)可以從100m到1mm，而最常用的腔長是1mm左右。較長的傳感光纖段和光纖較大的熱光系數(shù)使得 本征型光纖傳感器對溫度非常敏感。溫度測量是其最為成功和最為廣泛的應(yīng)用。此外，本征型 光纖傳感

23、器還可以用于應(yīng)變、壓力、液體流量等物理參數(shù)的測量。非本征型光纖傳感器的干涉腔是空氣腔，因此它對橫向應(yīng)變不敏感、具有極小的熱應(yīng)變靈敏度，克服了溫度與其它物理參量的交叉敏感問題，但光纖直徑與毛細(xì)管直徑的不匹配，使得這種傳感器容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了機(jī)械性能。3非光學(xué)檢測3.1電容傳感器3.1.1電容傳感器的特點(diǎn) 對于緩慢變化或微小量的測量,一般來說采用電容傳感器進(jìn)行檢測比較適宜,主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn):(1)測量范圍大。其相對變化率可超過 100%；(2)靈敏度高。如用比率變壓器電橋測量,相對變化量可達(dá) 數(shù)量級；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。因其可動(dòng)質(zhì)量小,固有頻率高,高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測量,也

24、可靜態(tài)測量；(4)穩(wěn)定性好。由于電容器極板多為金屬材料,極板間襯物多為無機(jī)材料,如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場、強(qiáng)幅射下長期工作,尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題10。3.1.2電容傳感器的工作原理 電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來實(shí)現(xiàn)信號變換的。電容傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場合下，電容是由兩個(gè)金屬平行極板組成，并且以空氣為介質(zhì)，如圖5所示為平板電容器的結(jié)構(gòu)11。圖5 平板電容器兩個(gè)平行板組成的電容器的電容量為： （5）式中，是電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)， -真空介電常熟； -介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)；S-兩平行極

25、板覆蓋的面積；d-兩平行極板之間的距離；C-電容量當(dāng)被測參數(shù)使得式中的S，d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。因此，電容量變化的大小隨著被測參數(shù)的大小而變化。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同,電容傳感器可有 3 類：變間距式，變面積式和變介電常數(shù)式。一般，改變平行板間距 d 的傳感器可以測量微米數(shù)量級的位移，而變化面積 A 的傳感器則適用于測量厘米數(shù)量級的位移，變介電常數(shù)式電容傳感器適用于液面、厚度的測量。3.1.3電容傳感器的應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測已顯得越來越重要了,參數(shù)監(jiān)測分電量和非電量兩大類。對于非電量參數(shù)的測量,測量的成功與否決定于傳感器的質(zhì)量和對感應(yīng)信號的提取。在各類非電量

26、傳感器中,電容傳感器可以說是用得最普遍的一種了,在工業(yè)現(xiàn)場它作為流量、壓力、位移、液位、速度、加速度等物理量的傳感元件,應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。在目前電容式傳感器中,比如電容式壓力傳感器、電容式濕度傳感器、電容式液位儀和開關(guān)、電容式加速度和角度儀、電容式位移傳感器等等都有應(yīng)用前景，且技術(shù)比較成熟。特別值得一提的是，容柵傳感器的廣泛應(yīng)用。容柵傳感器屬于變面積式的電容傳感器的一種。它采用鋸齒形電極的目的，提高了傳感器的靈敏度。3.2電感傳感器傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。傳感器的研究始于上世紀(jì) 30 年代，它以材料的物理、化學(xué)和生物、理化效應(yīng)

27、為基礎(chǔ)，由物理、化學(xué)、材料科學(xué)、器件物理和工藝以及電子工程等多種學(xué)科交織發(fā)展形成，是研究非電量信息與電量間轉(zhuǎn)換的一門跨學(xué)科的邊緣技術(shù)科學(xué)12。為了提高傳感器及其測量系統(tǒng)的性能，新的技術(shù)和方法不斷地被應(yīng)用于傳感器測量系統(tǒng)中，傳感器技術(shù)不斷發(fā)展。其中電感傳感器因其具有精度高、使用方便、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械加工行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，常應(yīng)用于諸如表面粗糙度測量、圓度測量、振動(dòng)測量、小位移測量中。在國外，電感傳感器技術(shù)水平目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，傳感器精度高且通用性好。以英國 Durham Instruments、瑞士TESA、德國 MAHR、意大利MARPOSS、日本 KEYENCE 為代表，傳感器的分

28、辨力可以達(dá)到0.1nm，線性測量范圍可以達(dá)到±1mm。瑞士 TESA 公司生產(chǎn)的高精度型電感傳感器GT22HP，在量程范圍±0.2mm 內(nèi)，精度可以達(dá)到0.07m，重復(fù)性0.01m。英國 Durham Instruments 公司生產(chǎn)的電感傳感器對溫度變化大的工作環(huán)境非常適合，工作溫度范圍可以為-55oC+120oC，非線性精度優(yōu)于0.5%。美國 NCODER公司生產(chǎn)的傳感器靈敏度達(dá)到900mV/mm，溫度漂移為0.01 %/oC，穩(wěn)定性為24小時(shí)內(nèi)小于0.1，精確度0.25%。電感傳感器在粗糙度輪廓測量儀、圓度儀得到很好的應(yīng)用，較為常用的有英國Taylor-Hobson

29、公司生產(chǎn)的 Talyrond 365 型圓度儀，擁有120 年精密計(jì)量儀器制造歷史的德國Hommel公司生產(chǎn)的T2000小型粗糙度輪廓儀，德國 Mahr 公司代表產(chǎn)品 M 系列便攜式便面粗糙度測量儀。國外生產(chǎn)的電感傳感器及其應(yīng)用產(chǎn)品價(jià)格昂貴，就目前國內(nèi)的機(jī)械加工及精密測量現(xiàn)狀而言，應(yīng)用不太理想。國內(nèi)也有許多廠家、院校及科研單位從事電感傳感器的研制和開發(fā)，其中具有代表性的是中原量儀和哈量集團(tuán)。中原量儀生產(chǎn)的DGS-6C 和DGS-6D 型數(shù)顯電感傳感器，它們與該廠生產(chǎn)的DGC-8ZG/A 型或DGC-6PG/A 型電感測量頭組合使用，用于機(jī)械加工中的精密測量。哈量集團(tuán)生產(chǎn)的T2000 型表面輪廓

30、測量儀和2205A 型表面粗糙度測量儀，就使用了電感傳感器，它們可以對多種零件表面的粗糙度進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度的多功能精密測量。另外，北京時(shí)代儀器集團(tuán)生產(chǎn)的TR200、TR240 型粗糙度儀，上海量具刃具廠生產(chǎn)的BD100 型輪廓測量儀、YD200型圓度儀，上海交通大學(xué)自動(dòng)檢測技術(shù)研究所開發(fā)的JD Surf 系列輪廓儀測量系統(tǒng)、JD Round 系列圓度儀測量系統(tǒng)也是目前國內(nèi)電感傳感器應(yīng)用的重要體現(xiàn)。從性能指標(biāo)來看，與國外的電感傳感器相比，國內(nèi)還存在很大的差距，而且功能單一、技術(shù)水平發(fā)展慢。在超精密加工技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，電感傳感器的精度有待于進(jìn)一步提高。目前國內(nèi)的電感傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

31、普遍存在如下問題：高精度檔位量程范圍小，分辨力不高，漂移比較大，穩(wěn)定性差等。我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┤ソ鉀Q電感傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的問題，使之能在加工領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用。高精度電感傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電感測頭、數(shù)據(jù)采集電路及相應(yīng)的軟件。因此，要提高電感傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度可以從提高測頭精度及其數(shù)據(jù)采集電路精度兩方面考慮。3.3 掃描探針測量掃描探針測量主要應(yīng)用到了掃描探針顯微鏡來進(jìn)行測量，當(dāng)探針與樣品表面間距小到納米時(shí)，按照近代量子力學(xué)的觀點(diǎn)，由于探針尖端的原子和樣品表面的原子具有特殊的作用力，并且該作用力隨著距離的變化非常顯著13。當(dāng)探針在樣品表面來回掃描的過程中，順著樣品表面的形狀

32、而上下移動(dòng)。獨(dú)特的反饋系統(tǒng)始終保持探針的力和高度恒定，一束激光從懸臂梁上反射到感知器，這樣就能實(shí)時(shí)給出高度的偏移值。樣品表面就能記錄下來，最終構(gòu)建出三維的表面圖。掃描探針測量具有：1）分辨率高；2）可實(shí)時(shí)的得到實(shí)空間中表面三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性表面結(jié)構(gòu)研究。3）可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)。4）可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測過程對樣品無損傷。5）配合掃描隧道譜，可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。6）在

33、技術(shù)本身，SPM具有的設(shè)備相對簡單、體積小、價(jià)格便宜、對安裝環(huán)境要求較低、對樣品無特殊要求、制樣容易、檢測快捷、操作簡便等特點(diǎn)，同時(shí)SPM的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉。掃描探針測量存在的問題：由于其工作原理是控制具有一定質(zhì)量的探針進(jìn)行掃描成像，因此掃描速度受到限制，檢測效率較其他顯微技術(shù)低；由于壓電效應(yīng)在保證定位精度前提下運(yùn)動(dòng)范圍很?。壳半y以突破100m量級），而機(jī)械調(diào)節(jié)精度又無法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結(jié)構(gòu)比較困難；目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個(gè)數(shù)量級，掃描時(shí)掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如

34、果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常甚至損壞探針。因此，掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過檢測探針對樣品進(jìn)行掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡來推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會(huì)引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服）。4 結(jié)論總結(jié)現(xiàn)將主要的具有納米量級及以上分辨率的微位移測量技術(shù)概括如表所示。表 現(xiàn)有主要高分辨率微位移測量技術(shù)檢測分類測量方式儀器種類分辨率/nm測量范圍非光學(xué)檢測電容測量電容傳感器0.05210nm300um電感測量電感傳感器510um掃描探針測量掃描探針顯微鏡0.05110um光學(xué)檢測激光三角測量激光三角測頭2

35、.5100500um光纖位移測量光纖位移傳感器2.530100um激光干涉法雙頻激光干涉儀0.110m光柵尺測量法光柵尺0.11070200mmX射線干涉法X射線干涉儀0.005200umF-P干涉法F-P干涉儀0.0015nm300um可以看出，幾種電學(xué)測量技術(shù)，測量范圍大但分辨率較低，分辨率較高的測量范圍卻低，而幾種光學(xué)檢測技術(shù)具有很高的分辨率且測量范圍較大。但是它們在測量時(shí)均存在各種誤差，主要包括幾何安裝誤差、散粒噪聲、環(huán)境誤差、激光光源誤差、電子設(shè)備誤差、非線性誤差。其中，由于激光干涉儀以激光波長作為基準(zhǔn)，而波長與空氣折射率密切相關(guān)，決定了測量環(huán)境是影響測量準(zhǔn)確度的首要因素。目前關(guān)于激

36、光干涉儀的誤差分析以及補(bǔ)償?shù)难芯恳延胁簧?，但涉及到納米量級分辨率時(shí)，一般的改進(jìn)措施將無法滿足精度要求，需要對各項(xiàng)誤差進(jìn)行深入分析，補(bǔ)償。此外，F(xiàn)-P干涉儀基于多光束干涉原理，相當(dāng)于自身對干涉條紋進(jìn)行了若干倍細(xì)分，在高精密測量方面具有天然優(yōu)勢，理論上具有皮米量級的高分辨率，但因受自身結(jié)構(gòu)和環(huán)境等方面因素限制，其實(shí)際分辨率與理論值尚有一定差距，且測量范圍較小。其中，自身結(jié)構(gòu)的限制主要指平面反射鏡位移過程中易發(fā)生偏移產(chǎn)生納米量級誤差，且目前的反射鏡面形加工精度和鍍膜質(zhì)量，限制了干涉儀精細(xì)度的提高而無法充分發(fā)揮其測量優(yōu)勢并影響測量準(zhǔn)確度；環(huán)境因素是影響F-P干涉儀工作性能的另一個(gè)重要因素，為減小環(huán)境變化引起的測量誤差，在要求高的場合通常采用真空罩。所以提高實(shí)測分辨率并擴(kuò)大測量范圍是目前F-P干涉儀位移測量技術(shù)亟待解決的問題。綜上所述，未來微位移檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢： 光學(xué)檢測方式逐漸代替電學(xué)檢測方式； 光學(xué)檢測方式精度不斷提升，其分辨率可達(dá)到亞納米級； 改進(jìn)已有測量技術(shù)的同時(shí)，不斷開發(fā)和應(yīng)用新的測量技術(shù)，如新原理的測量方式。參考文獻(xiàn)1曹世智, 徐毅, 趙克功, 等. 掃描探針顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用J. 現(xiàn)代計(jì)量測試, 1998, 6(4): 3-8.2 L i Y. S.，Young T. Y.，Joseph A