基于光學杠桿法的微納位移測量系統*

張 沖， 馬樹軍， 李魯魯， 修 強

(東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819)

基于光學杠桿法的微納位移測量系統*

張 沖， 馬樹軍， 李魯魯， 修 強

(東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽110819)

采用自行設計搭建的光學杠桿光路系統，使用位置敏感度探測元件(PSD)對懸臂梁的微小撓度變化進行測量。介紹了實驗原理及系統搭建。實驗測量與分析表明：系統分辨力可達0.06 μm。對自制的懸臂梁撓度變形進行測量，并與微動平臺的實際位移量對比，結果基本一致，驗證了系統的可靠性。

光學杠桿； 懸臂梁； 靜態測量； 撓度； 位置敏感度探測元件

0 引 言

精確測量微懸臂梁在傳感過程中的變形,對于微觀領域的發展及傳感具有重要的意義[1～5]。光學杠桿法結構簡單,敏感度高,環境適應性強,能夠在真空、空氣、混合氣體和液體等環境中進行測量。

本文系統采用正入射共光路的形式,即激光的發射光路與激光的接收光路相重合,縮短系統的測量環路,減小了系統漂移,同時,使得整個測量系統更加的緊湊；采用數值標定的方法獲取系統測量的敏感度,減少了直接測量元件由布局產生的測量誤差,提高了測量精度。系統具有成本低,靈敏度高,結構簡單,便于實際測量,無接觸等優點。

1 實驗原理

1.1 光路模型的搭建

基于光學杠桿原理的懸臂梁撓度測量的基本模型如圖1所示,采用聚焦透鏡與分光棱鏡相結合的共光路系統,入射光線通過聚焦透鏡將準直的光束聚焦到懸臂梁上,懸臂梁位于透鏡的焦距處,當懸臂梁入射點處轉角或者撓度發生改變時,光電位置傳感器上的光斑位置發生改變,通過一定的矯正運算,懸臂梁的微小撓度變化可以轉換為光電位置傳感器上較大的位置信號,實現了對微小位移的放大。

圖1 光路的幾何關系

由圖1知,當長度為L的微懸臂梁產生微小變化時光斑位置變化與懸臂梁撓度變化之間的關系為

(1)

由于反射的光斑需要在PSD上成像,需要在PSD前加上成像透鏡，則

(2)

系統的整體放大倍數為

(3)

對入射光束聚焦到微懸臂梁上,光斑的大小影響系統測量的橫向分辨力,因而應使得聚焦光斑盡量小,對于準直光束產生的聚焦光斑的直徑D與激光波長λ,光束模式參數M、透鏡焦距f1、激光入射直徑φ0有如下關系[12]

(4)

為了獲得較大的放大倍率,實現高靈敏度測量,需要有較大的f1值,此時即與獲得小聚焦光斑相矛盾。因此,需要合理地選擇參數。

1.2PSD

系統通過光電PSD感知光斑位置的變化。PSD內部結構的示意圖如圖2中所示,當有光斑照在橫向效應PSD表面時,在照射點處產生與光強成比例的電荷,光電流的大小與電極之間的距離成反比,通過檢測光電流大小可以得到光斑的位置。基于這個原理工作的PSD對光斑形狀及強度分布無高要求。相比于象限,沒有工作死區,線性度較好。

圖2 PSD截面

以PSD中心點作為坐標原點,入射光斑位置X的計算公式為

(5)

2 實驗搭建

系統總體組成如圖3所示,通過光學杠桿的方法對懸臂梁的撓度進行感知放大,通過PSD獲取光斑位置信號,并經過后續的信號處理與數據采集,上傳至電腦,進行數據處理,最終獲得懸臂梁撓度變化的情況。

圖3 測量系統的總體組成

2.1 光學系統的搭建

如圖4所示為系統測量懸臂梁撓度變化搭建的設備。系統中各個光學器件采用30 mm籠式系統(CP06/M籠板,ER6—04裝配支桿)進行搭建,將二極管激光器(功率5 mW,波長為635 nm)作為入射光源通過調節支架嵌入系統中,通過光闌GCT—570101調整入射光斑大小,經分光棱鏡(CM1—BS013)分光,并通過焦距f=30 mm的平凸透鏡LA1805—A將光束聚焦在懸臂梁上,反射光束再先后經過聚焦透鏡,分光棱鏡及f=100 mm的平凸透鏡LA1509—A在PSD上進行光斑成像。在PSD前設置635 nm波長的窄帶濾光片,僅通過波長635 nm的測量光束,濾掉其他干擾光,有效減少雜光和背景光對PSD測量的影響。

采用長90 mm,寬13 mm,厚0.5 mm的自制的懸臂梁,并在表面貼附0.15 mm厚的反光膜,通過使用精密微動平臺帶動頂尖使懸臂梁產生撓度。

圖4 測量實驗實物

2.2 信號處理與采集

光電傳感器選擇基于橫向效應的S3932 PSD,基本參數為：工作區域為1 mm×12 mm；波長響應范圍為320～1 100 nm(峰值為920 nm)；敏感度為0.55 A/W。

PSD信號處理過程如圖5中所示,將PSD電極兩端輸出的微弱光電流信號,進行前置的I-V放大,通過電路加法器與減法器實現兩路信號的差與和,通過單片機進行除法運算,通過USB接口與電腦通信,采用LabVIEW軟件采集相應的位置信號并通過電腦進行處理顯示。

圖5 PSD信號處理

3 實驗測量與分析

3.1 系統靈敏度標定

通過式(3)可知,在小變形范圍內,懸臂梁撓度變化與光斑位置變化呈線性關系,同時光斑位置變化與PSD輸出量在小范圍也是呈線性的。精密微動平臺以一定的伸長量Δh/mm加載于待測懸臂梁上,懸臂梁產生撓度為Δz,在彎曲很小的情況下懸臂梁彎曲量等于平臺移動量：Δz=Δh。微懸臂梁的彎曲引起光杠桿光路發生偏轉,使PSD輸出信號產生變化ΔU。懸臂梁彎曲量與PSD輸出信號滿足線性關系,所以,光杠桿系統對懸臂梁彎曲量的檢測靈敏度可表示為

(6)

系統靈敏度S標定結束后,后續測量時,當懸臂梁有一定變形時使得PSD輸出發生改變ΔU1,此時懸臂梁的撓度變化為Δz1=ΔU1/S。

標定具體步驟：1)緩慢移動微動平臺,帶動頂針與懸臂梁剛接觸,此時懸臂梁位于初始位置。2)每次以步長0.05 mm成階梯狀步進0.5 mm。3)對每個階梯上的PSD輸出取平均值,計算每個階梯PSD的輸出量的變化隨懸臂梁撓度變化的關系,并進行線性擬合,如圖6所示。

圖6 靈敏度標定曲線

通過數據擬合可得到懸臂梁彎曲量與PSD輸出的函數關系為y=1.875 5x+0.010 1,擬合曲線的斜率即為系統的靈敏度,即S=1.875 5 V/mm。從每點的殘差可以看出懸臂梁的彎曲量與PSD輸出電壓之間線性度良好,最大殘差小于0.4 %。對系統輸出信號的分析表明,輸出電壓噪聲標準差為0.12 mV,根據系統靈敏度標定結果可知：系統的分辨率為0.06 μm。

3.2 懸臂梁撓度測量

為驗證系統的可行性,針對已標定的系統靈敏度來進行懸臂梁的撓度測量。具體步驟：1)將懸臂梁固定在支架上,調整懸臂梁至聚焦透鏡處,使得光斑最小。2)調整精密微動平臺至與懸臂梁剛接觸,開始采集,同時微動平臺以2.5 μm的步距200 s間隔成階梯狀步進25 μm。3)根據標定的靈敏度結果計算每個臺階對應的撓度大小,與微動平臺的實際位移量的結果相對比。

圖7和表1中為測量結果,實驗中,對每個臺階對應的輸出進行200次測量,取其均值與已求得系統的靈敏度相除即得撓度測量的均值。利用Matlab對采集的數據進行分析可得系統測量的最大標準差約為0.18 μm,200次測量均值的A類不確定度為0.014 5 μm。以微動平臺的位移量作為參考,測量結果與實際位移量十分接近,最大相對誤差不超過4 %,表明實驗結果可靠。

圖7 懸臂梁撓度測量曲線

序號針尖位移量/μm測量次數PSD電壓均值/VPSD輸出變化量/V測量撓度均值/μm撓度變化標準差/μmA類不確定度/μm相對誤差/%10.02001.0023參考零點22.52000.99740.00492.58700.10200.01153.48035.02000.99310.00924.91990.10280.00801.60347.52000.98880.01357.20590.15340.00833.922510.02000.98410.01829.71220.11000.01172.878612.52000.97930.023012.26180.08960.00821.906715.02000.97460.027714.75500.15750.00731.633817.52000.96980.032517.32140.09750.01131.020920.02000.96500.037319.87130.13030.00740.6431022.52000.96030.042022.40020.11150.01010.4441125.02000.95560.046724.90040.17910.01450.399

4 結 論

1)研制了基于光學杠桿原理高精度微納位移測量裝置。裝置更加簡單方便操作,成本較低,測量分辨率較高；2)對自制懸臂梁撓度變形進行測量,測量標準差小于0.18 μm,測量結果誤差在4 %以內。

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Micro-nanodisplacementmeasurementsystembasedonopticallever*

ZHANG Chong， MA Shu-jun， LI Lu-lu， XIU Qiang

(SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

Using self-designed optical lever light path system and position sensitive detector(PSD) to measure small deflection of cantilever.Experimental principle and system building are introduced.Experimental measurement and data analysis are implemented.The resolution of measurement system can reach 0.06 μm.Using this system to measure small deflection of homemade cantilever.Through comparing with the actual displacement of micro-positioning platform,the results are basically identical.It verifies reliability of the system.

optical lever; cantilever; static measurement; deflection; position sensitive detector(PSD)

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0103—03

TN 29

A

1000—9787(2017)11—0103—03

2016—11—02

國家自然科學基金資助項目 (51505076)；遼寧省自然科學基金資助項目 (2015020105)；中央高校基本科研業務費項目(N140304010,N150308001)；遼寧省高等學校創新團隊項目(LT2014006)

張 沖(1990-),男,碩士研究生,研究方向為微/納懸臂梁傳感器測量。

馬樹軍(1982-),男,通訊作者,副教授,碩士生導師,主要從事微機電系統(MEMS)的執行器和傳感器方面研究工作,E—mail:mashujun@me.neu.edu.cn。