基于簡易非本征法—珀腔的大量程納米位移傳感器

孫志強(qiáng)， 邵志強(qiáng)，2, 畢佳宇， 宮占江， 王勁松， 王 燁

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028;2.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006)

0 引 言

高精度的位置測(cè)量系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜的三維精密零件的繪制測(cè)量尤為重要，這些精密零件廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器制造、汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)等制造領(lǐng)域[1～3]。微/納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(micro/nano CMMs)由于能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的三維形貌測(cè)量，近年來已被應(yīng)用于微納精密工程進(jìn)行各種復(fù)雜機(jī)械零件的測(cè)繪[4～7]。CMMs通常設(shè)計(jì)為三個(gè)正交測(cè)量軸，每個(gè)軸的末端配備一個(gè)位置測(cè)量掃描探針，并通過測(cè)量目標(biāo)表面和探針之間的距離來實(shí)現(xiàn)三維形貌的繪制[2,3]。

測(cè)量范圍大、精度高、響應(yīng)快的位置掃描探頭可以使CMMs系統(tǒng)更準(zhǔn)確、高效地測(cè)量和描繪物體表面輪廓。許多接觸式位置掃描探頭已經(jīng)在發(fā)表的文獻(xiàn)中進(jìn)行了大量的研究和報(bào)道。Zhang L等人[1]提出了一種微型邁克爾遜干涉儀，在光纖末端焊接一個(gè)紅寶石球作為掃描探針。傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍可在60 μm以內(nèi)，分辨率為5 nm。Zou L等人[4]提出了一種光纖懸臂梁末端熔接微型球結(jié)構(gòu)作為掃描探針。該傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍為25 μm，分辨率為5 nm。

Li等人[5]報(bào)道了一種邁克爾遜干涉儀和鎢針結(jié)合的結(jié)構(gòu)作為掃描探針。傳感系統(tǒng)的測(cè)量范圍為40 μm，分辨率為30 nm。然而，非接觸式三維形貌測(cè)量的研究卻鮮有報(bào)道。這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)一方面是避免了在測(cè)量過程中降低掃描探頭的長期穩(wěn)定性，另一方面是防止劃傷被測(cè)物體的表面。

光學(xué)非本征法布里—珀羅干涉儀(EFPI)位移傳感器具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括易于制造、體積小、分辨率高、非接觸式的絕對(duì)位移測(cè)量[6,8～10]。光纖端面和反射器可以形成簡單的EFPI結(jié)構(gòu)[11]。光纖端面和外部反射鏡之間的距離，即腔長，可以根據(jù)EFPI的反射光譜確定。根據(jù)反射光譜計(jì)算腔長，是決定整個(gè)傳感系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。基于寬帶光源或可調(diào)諧激光器的白光干涉法(WLI)可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的絕對(duì)腔長測(cè)量[12]。因此，EFPI結(jié)構(gòu)適合用于高精度一維位移傳感，非常有希望作為CMMs的掃描探針，用于大范圍、高精度和快速掃描響應(yīng)的多維形貌測(cè)量。

本文提出并分析了一種基于白光低相干干涉為原理，非接觸光學(xué)反射式的EFPI一維位移傳感器。采用可調(diào)諧激光器和光電探測(cè)器(PD)作為光源和光譜接收器，用帶陶瓷套管封裝的光纖末端作為位移探針，互相關(guān)函數(shù)(CCF)算法作為干涉信號(hào)的解調(diào)方法。位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)表面EFPI傳感器的測(cè)量范圍為64.52～970.55 μm，分辨率為1 nm。

1 基礎(chǔ)理論

圖1(a)展示了EFPI結(jié)構(gòu)的示意圖。光纖的超物理接觸(UPC)型端面和平行目標(biāo)表面形成EFPI結(jié)構(gòu)。入射光通過光纖端面后，產(chǎn)生兩束反射光。由于光纖的纖芯端面會(huì)產(chǎn)生光學(xué)反射，從光纖中出射的光，一部分打到光纖端面并產(chǎn)生反射光I1。其余的光作為通過光纖端面發(fā)射到空氣中，并在空氣中傳播L0距離后，被目標(biāo)表面反射，最后被光纖芯捕獲的光為I2。

這兩束反射光由于產(chǎn)生了穩(wěn)定的光程差(OPD)，使得光纖中產(chǎn)生了符合特定腔長特征的干涉光譜。其中滿足干涉條件的相位φi可以表示為

(1)

式中L0為法布里—珀羅(F-P)腔的長度，λi為第i個(gè)波長的值，n為空氣的有效折射率。

干涉信號(hào)(I)可以表示為

(2)

圖1(b)展示的是EFPI在腔長為274.48 μm時(shí)產(chǎn)生的干涉光譜圖，從圖中可以看出中心波長為1 550 nm，帶寬為40 nm的寬帶光在EFPI結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了干涉。峰峰之間的寬度也保持一致，這就表明這種高反射鏡與光纖端面構(gòu)造的F-P腔是典型的雙光束干涉結(jié)構(gòu)。

圖1 非本征F-P腔的白光干涉理論

為了獲得高精度相位信息，解算納米級(jí)精度腔長，本文提出了一種CCF算法[13]。CCF的表達(dá)式為

(3)

式中C為F-P腔長的真實(shí)值和擬合值之間相似系數(shù)，γ為干涉條紋的對(duì)比度，L0和L分別為F-P腔長的真實(shí)值和擬合值。ν1和ν2為光源的下限和上限頻率。當(dāng)L與L0相同時(shí)，C(L)得到最大值，可以得到唯一且確定的腔長。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置建立在隔振光學(xué)平臺(tái)上，在相對(duì)濕度為30 %RH、溫度為25 ℃的條件下進(jìn)行，以避免溫度對(duì)空氣介質(zhì)折射率以及某些光學(xué)器件的熱膨脹產(chǎn)生測(cè)量誤差。

圖2為EFPI微位移傳感系統(tǒng)的示意圖。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置了近1 mm的位移變化范圍。傳感系統(tǒng)包括中心波長為1 550 nm、帶寬為40 nm的可調(diào)諧激光器、光學(xué)環(huán)行器、帶光纖陶瓷插芯封裝的光纖端面、反射率為99 %鍍金反射鏡，光電探測(cè)器(PD)和計(jì)算機(jī)。陶瓷插芯可以幫助光纖端面提供支撐和保護(hù)，防止測(cè)量過程中外力損壞位移探頭。商用單模光纖(SMF)被用作傳感系統(tǒng)中非空間光的傳輸介質(zhì)。

圖2 EFPI微位移傳感系統(tǒng)示意

可調(diào)諧激光器以20 pm的步長輸出一系列從1 530～1 570 nm的光波，形成近似的寬帶光?？烧{(diào)諧激光器發(fā)出的光，然后從光環(huán)行器的端口1入射到端口2，并耦合到F-P腔中。光纖芯接收兩束反射光I1和I2，產(chǎn)生干涉，并攜帶腔長信息。兩束反射光相互干涉，這光學(xué)反射式結(jié)構(gòu)形成的干涉被稱為EFPI。干擾信號(hào)經(jīng)PD接收后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用CCF算法解調(diào)，在計(jì)算機(jī)上獲得F-P的腔長尺寸信息。

3 數(shù)據(jù)分析

反射鏡的一維移動(dòng)模式被用于模擬掃描探針在不同位置測(cè)量的目標(biāo)物體的輪廓。圖3為F-P的腔長尺寸解調(diào)數(shù)據(jù)和反射鏡位移量之間的關(guān)系。采用高精度的單軸光學(xué)位移平臺(tái)拖動(dòng)鍍金反射鏡，從而改變F-P腔的長度，用于模擬位移探針遇到不同高度表面的情況。單軸手動(dòng)位移平臺(tái)(Newport，M-461-X-M)的精度為10 μm。整個(gè)位移變化長度約1 mm，步長為0.25 mm。隨著位移長度的逐漸增加，互相關(guān)解調(diào)峰的峰值向長腔方向移動(dòng)并且伴隨能量衰減。根據(jù)式(3)，當(dāng)通過CCF算法從光學(xué)干涉譜中提取F-P的腔長尺寸時(shí)，解調(diào)譜中只有一個(gè)峰值。隨著F-P腔長度的增加，在空氣中傳播的光的衰減逐漸增加，光纖芯能夠捕獲的光信號(hào)逐漸變?nèi)?。隨著位移逐漸增大，整個(gè)CCF峰變得不尖銳，峰值也逐漸減小，很難準(zhǔn)確地判斷峰值最高點(diǎn)位置，導(dǎo)致長度超過970.55 μm的F-P腔的解調(diào)峰值變得難以定位。

圖3 F-P的腔長尺寸解調(diào)數(shù)據(jù)和反射鏡位移量之間的關(guān)系

為了更詳細(xì)地分析本實(shí)驗(yàn)中PD檢測(cè)到的光強(qiáng)與位移距離之間的關(guān)系，并確定傳感系統(tǒng)的位移檢測(cè)范圍和分辨率，對(duì)位移變化產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下分析。

圖4(a)為F-P腔長尺寸和位移長度之間的關(guān)系。位移變化量在0～900 μm之間，與腔長呈線性關(guān)系。F-P腔的長度隨位移長度的增加而增加。擬合公式中的常數(shù)項(xiàng)表示傳感器最小的相對(duì)測(cè)量距離為64.5 μm，該數(shù)值與CCF解算的最小腔長值保持一致。擬合線的斜率不等于1，因?yàn)楦呔任灰破脚_(tái)的讀數(shù)存在納米級(jí)誤差。圖4(b)展示了位移變化量和光強(qiáng)之間的關(guān)系。隨著位移長度的增加，PD接收到的光強(qiáng)呈指數(shù)衰減。當(dāng)腔長尺寸超過400 μm時(shí)，探測(cè)到的I2光能量開始趨于平緩，背景噪聲與I2處在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，使得檢測(cè)到的光強(qiáng)度基本保持不變。值得注意的是，微弱的干涉信號(hào)仍能傳輸穩(wěn)定的腔長尺寸信息，400～970.55 μm腔長范圍下產(chǎn)生的干涉光信號(hào)仍可通過CCF算法解調(diào)。因此，一維EFPI位移測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量64.52～970.55 μm的絕對(duì)距離。

圖4 EFPI傳感器系統(tǒng)的光強(qiáng)隨著位移變化的特征分析

位移分辨率也是EFPI傳感器系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。該位移測(cè)試環(huán)境在無外界振動(dòng)干擾的超凈間里進(jìn)行。當(dāng)F-P腔尺寸在64.52～970.55 μm之間時(shí)，解調(diào)算法具有相同的分辨能力，因此讓EFPI結(jié)構(gòu)在108～138 μm的腔長范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),來判斷傳感器的位移測(cè)量穩(wěn)定性和位移分辨率。圖5(a)為EFPI位移測(cè)量系統(tǒng)在30 μm范圍內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)圖。傳感器探頭在108～138 μm下進(jìn)行步進(jìn)為30 μm往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每次步進(jìn)時(shí)間為3 s。該傳感器系統(tǒng)放置在納米位移平臺(tái)(SIOS,NMM—1)中，SIOS的測(cè)量和定位范圍為25 mm×25 mm×5 mm，分辨率為0.1 nm。實(shí)驗(yàn)前，將SIOS置于初始位置狀態(tài)，將反射鏡安裝在SIOS的位移發(fā)生裝置上，光纖端面固定在金屬夾具上，形成EFPI結(jié)構(gòu)。將SIOS設(shè)置為每次移動(dòng)30 μm，步進(jìn)保持3 s，并記錄大約70個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。傳感器系統(tǒng)可以檢測(cè)到相應(yīng)的F-P腔長度變化，并且傳感器系統(tǒng)在CCF的解調(diào)算法下，計(jì)算得到的腔長值沒有發(fā)生跳變，傳感器系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。在圖5(b)為位移波動(dòng)分布數(shù)據(jù)圖。30 μm往復(fù)運(yùn)動(dòng)采集的位移數(shù)據(jù)中，較大位移量處的數(shù)據(jù)點(diǎn)被依次提取，進(jìn)行了平均差運(yùn)算，方便分析測(cè)量位移的波動(dòng)情況。圖中發(fā)現(xiàn)，整體的位移波動(dòng)大概在0.001～0.002 6 μm之間，并且這種納米(nm)級(jí)的位移波動(dòng)已經(jīng)被傳感器系統(tǒng)識(shí)別，SIOS系統(tǒng)的前端產(chǎn)生的機(jī)械疲勞和環(huán)境中的微弱振動(dòng)導(dǎo)致了數(shù)據(jù)波動(dòng)，產(chǎn)生了納米級(jí)的微小位移誤差。由此可知，該傳感器的分辨率為1 nm。

圖5 EFPI傳感器系統(tǒng)性能測(cè)試

4 結(jié) 論

綜上所述，本文提出了一種用于CMMs的高精度、大量程的位移探測(cè)新方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法使小型緊湊的EFPI傳感器能夠感測(cè)一維位移參量。其基本思想是使用鍍金反射面模擬被測(cè)物體表面，利用UPC型光纖端面與被測(cè)物表面構(gòu)造出非接觸的反射式的EFPI結(jié)構(gòu)，并將其用于高精度的表面位置測(cè)量。結(jié)合WLI原理和CCF算法形成一個(gè)簡易的EFPI位移掃描探頭作為新型的概念驗(yàn)證演示結(jié)構(gòu)，有望用于三維微小輪廓定位測(cè)量領(lǐng)域。此外，CCF算法可以植入計(jì)算機(jī)軟件中，用于快速計(jì)算位移，實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的高速三維掃描。通過使用這種簡單的腔長解調(diào)方式，本傳感器系統(tǒng)在64.52～970.55 μm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高精度的一維微位移測(cè)量，分辨率為1 nm。除了本文報(bào)道的位移測(cè)量外，該傳感器系統(tǒng)還可用于溫度、濕度、介質(zhì)折射率、聲振動(dòng)、加速度、氣體濃度、壓力、張力等因素的測(cè)量，具有非常大的潛在工程應(yīng)用價(jià)值。