新型FBG三維納米振動(dòng)測頭解調(diào)系統(tǒng)研究.pdf

1、針對微小元件對其尺寸的高精度測量要求，以及對應(yīng)用于微納米尺寸的三坐標(biāo)測頭的需求，本文研制了一套可用于微米/納米三坐標(biāo)的接觸式測頭系統(tǒng)。該測頭以布拉格光纖光柵(FBG)作為傳感元件，測頭內(nèi)封裝有壓電陶瓷元件使其工作在振動(dòng)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)真正的三維坐標(biāo)測量。該測頭主要可分為位移傳遞機(jī)構(gòu)和三維FBG傳感系統(tǒng)兩部分:位移傳遞機(jī)構(gòu)由測針、支架、彈性懸臂、壓電陶瓷振板、固定裝置等組成，可以將任意方向觸碰測頭的位移轉(zhuǎn)化為FBG傳感器的軸向應(yīng)變;三維FB

2、G傳感系統(tǒng)由三根傳感FBG和一根匹配光柵、光源、光開關(guān)、耦合器等構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)三維測量。本文主要完成的工作如下:
　　(1)從FBG的傳感、解調(diào)以及復(fù)用的基本原理出發(fā)，提出了三維納米測頭的測量機(jī)理。對測頭的傳感機(jī)理、測頭機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，分析了適用于測頭環(huán)境的FBG解調(diào)方案。對基于非平衡M-Z干涉儀法和基于匹配光柵法這兩種解調(diào)方法在測頭環(huán)境中FBG解調(diào)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)對比，并最終采用基于空分復(fù)用方法的匹配光柵法對測頭內(nèi)的FB

3、G信號進(jìn)行復(fù)用解調(diào)。
　　(2)基于對測頭的測量機(jī)理的研究，制作出一套測頭系統(tǒng)樣機(jī)。并構(gòu)建了測試系統(tǒng)分別對測頭的靈敏度、分辨力、重復(fù)性等性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，測頭的分辨力達(dá)到13.18nm，測頭靈敏度高于100.47mV/um，整體重復(fù)性小于48nm，非線性誤差小于1.58％，回零、觸發(fā)重復(fù)性均小于25nm。
　　(3)根據(jù)測頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出了該測頭的理論空間坐標(biāo)解耦模型，并給出了基于多元線性回歸的測頭坐標(biāo)耦合模型