基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头

摘要

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头，其特征是测头的结构设置为：一个带有球头的一体化探针呈“T”型固定在悬浮支架的中心点，悬浮支架上处在同一平面中的各支架杆呈射状分布，柔性悬臂与悬浮支架的中心固定在一起，柔性悬臂上处在同一平面中的各柔性臂的远端固定在外连接圈上，构成测量探头；设置在封装层中的FBG传感器的下端固定在悬浮支架中各支架杆的远端，FBG传感器的上端固定在压电陶瓷振板的边缘处，压电陶瓷振板通过螺纹与压电陶瓷的位移输出轴固定连接，压电陶瓷通过螺纹固定连接于测头底座的底面上。本发明灵敏度高、测量力小、微观表面作用力影响小、长期稳定性好、重复性好且各向异性小。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米三坐标测头，更具体地说是一种用于纳米量级的三维尺寸测量的三坐标 测量机的测头机构。

背景技术

近二十年来，微电子技术快速发展，出现了各种微器件，比如微机械零件、微电机系统 MEMS、生物医疗器件和光学器件等等。这些微器件的几何特征尺寸的三维测量要借助于坐标 测量机CMM，但是传统的商用三坐标测量机的各轴定位及综合精度均只能达到微米等级，满 足不了纳米测量的精度要求；同时所用的测头探针直径较大，不能用于较小尺寸的三维探测， 且测量力太大，容易造成被测件的变形和损伤。

因此，近年来已有研制纳米级精度且体积微型化的三维坐标测量系统Nano-CMM，以及 Nano-CMM测量探头，测量不确定度小于100nm，Nano-CMM测量探头是Nano-CMM的关键部分， 是Nano-CMM实现纳米级测量精度的重要部件。而对传统CMM测头进行简单的小型化设计并不 是一种有效的Nano-CMM测头实现方法，在测量器件时，易与被测特征碰撞，损坏被测器件的 表面。因此，应全面综合地考虑高精度低测量力的设计需求，对Nano-CMM测量探头进行全新 的开发与设计。

近年来，光纤光栅作为一种新型光学传感器件，凭借其优良的传感特性，在桥梁、建筑、 海洋石油平台、大坝等工程的结构监测、以及航空航天业、电力工业、小尺寸医学传感器等 很多领域得到了深入研究和开发应用。基于光纤布拉格光栅具有尺寸小、灵敏度高、线性范 围宽、重复性好、抗电磁干扰能力强、等优良传感特点，是纳米测量的优良传感器件，非常 适合于微纳米级的尺寸和参数测量，用于微纳米测量领域也具有很大的发展空间。但是，由 于布拉格光纤光栅是在直径为125um的裸光纤上进行紫外光写入来形成，因此布拉格光纤光 栅脆而易断，并不能直接使用，必须进行封装。传统封装方法是工程填埋封装和悬臂梁粘贴 式封装，但这两种封装方式尺寸结构较大，测量力也较大，不利于微纳器件的尺寸和参数的 超精密测量。

对于球头直径很小的纳米测量探头，在球头与被测体两个微观面即将接触时，其微观表 面作用力的影响极其显著，其大小依赖于表面结构和材料，且随结构尺寸的减小而增大。这 些微观作用力包括毛细作用力、静电力、范德华力van der Waals、卡西米尔力Casimir Force 等。在微米量级，范德华力的影响会超出重力影响一百倍。英国联邦物理研究所NPL开发了 基于压电陶瓷动态传感的探头，对探头的微观表面作用力的影响进行了研究，但由于使用MEMS 技术加工探头结构，其加工和装配相当复杂。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于光纤布拉格光栅的谐振式 纳米三坐标接触式测头，以期获得灵敏度高、测量力小、微观表面作用力影响小、长期稳定 性好、重复性好、且各向异性小的FBG谐振式Nano-CMM测量探头。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的特点是，所述测头的结构 设置为：

一个带有球头的一体化探针呈“T”型固定在悬浮支架的中心点，悬浮支架上处在同一平 面中的各支架杆呈射状分布，柔性悬臂与所述悬浮支架的中心固定在一起，所述柔性悬臂上 处在同一平面中的各柔性臂的远端固定在外连接圈上，构成测量探头；

设置在封装层中的FBG传感器的下端固定在悬浮支架中各支架杆的远端，FBG传感器的 上端固定在压电陶瓷振板的边缘处，所述压电陶瓷振板通过螺纹与压电陶瓷的位移输出轴固 定连接，所述压电陶瓷通过螺纹固定连接于测头底座的底面上。

本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于：设置所 述谐振式纳米三坐标接触式测头为动态谐振式位移测头，是以压电陶瓷驱动FBG传感器在设 定的频率和振幅上谐振运动，利用柔性悬臂带动所述测量探头的动态谐振运动；对于在所述 微小球头上产生的被测位移量，以所述FBG传感器相应产生的应变带来动态谐振变化，获得 各FBG传感器中心波长的谐振变量信号；对于所述FBG传感器中心波长的谐振变量信号通过 动态解调获得中心波长的谐振变量，根据所述中心波长的谐振变量得到探头的位移量。

本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于：所述柔 性悬臂中各柔性臂在柔性悬臂所在的平面中呈弧形，在圆周上均匀分布的柔性臂与在圆周上 均匀分布的支架杆为数量相等，并且柔性臂与支架杆分处相交错的圆周位置上。

本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于：所述柔 性悬臂是以铍青铜为材质，采用光学成像和化学蚀刻的方法制备而成。

本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于：所述柔 性悬臂的制备是在厚度为0.1mm的铍青铜薄片的外表加覆感光层，并进行结构尺寸的单面光 学成像曝光，使得在铍青铜薄片的一面感光层中含有结构尺寸信息，并在曝光后留下所述结 构尺寸信息，在铍青铜薄片的另一面感光层中不含结构尺寸信息，并在曝光后成为完全固化 层；完成曝光后对含有结构尺寸信息的一面进行单面化学蚀刻完成制备；设置所述光学成像 曝光的曝光时间为2分30秒，设置所述单面化学蚀刻的蚀刻温度为50℃，蚀刻时间为15分 钟。

本发明基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结构特点也在于：所述FBG 传感器是在祼光纤上经紫外曝光制得光纤布拉格光栅，在所述光纤布拉格光栅的表面利用工 业硅胶进行二次封装形成封装层，封装直径为0.3mm。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明中三坐标测量探头设计为三维光纤布拉格光栅动态谐振式探头结构，这种动态 谐振式测量方法不仅大大削弱各种静态、准静态干扰，如温漂、零漂等的影响，还能有效减 小微观表面作用力的影响，同时可以获得较小的探头测量力。

2、本发明采用光纤布拉格光栅谐振传感进行感测，相比应变式、压阻式、电容式和电感 式等电学传感器，具有极好的抗电磁干扰能力，同时可以获得更高的灵敏度和精度。

3、本发明的光纤布拉格光栅动态谐振式探头结构中，铍青铜柔性支承结构设计为光学成 像和化学蚀刻加工方法制成，具有不弯曲、不翘曲、边缘质量高、形状误差小、结构尺寸信 息更准确等优点，因此可显著减小测头结构的各向异性和测量误差。

4、本发明中，由于柔性悬臂的工作变形范围远小于铍青铜片自身的最大允许变形范围， 使得测头具有很好的测量重复性和结构稳定性，同时柔性悬臂支承与悬浮支架采用一点中心 连接、各臂相互交错的连接方式，此结构测力较小，柔性良好。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中柔性支承传感结构示意图；

图3为本发明中，探针球头未接触被测表面时，进行连续2小时系统测量值漂移的稳定 性测量结果序列；

图4为本发明中，探针球头已经接触被测表面后，进行连续2小时系统测量值漂移的稳 定性测量结果序列；

图5为本发明中，纳米测量探头的复位性标准差数据。

图中标号：1探针，2柔性悬臂，3悬浮支架，4光纤布拉格光栅，5封装层，6压电陶瓷 振板，7电陶瓷，8外连接圈，9测头底座。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头的结 构设置为：

带有球头的一体化探针1呈“T”型固定在悬浮支架3的中心点，悬浮支架3上处在同一 平面中的各支架杆呈射状分布，柔性悬臂2与所述悬浮支架3的利中心固定在一起，所述柔 性悬臂2上处在同一平面中的各柔性臂的远端固定在外连接圈8上，构成测量探头。这种柔 性悬臂支承与悬浮支架中心一点连接、各臂相互交错的连接方式，相比于之前研究的柔性悬 臂两端分别连接于悬浮支架远端和外连接圈的连接方式，由于连接点位置的更改、柔性悬臂 支承力臂增长，悬浮支架远端不受柔性悬臂的约束，使得此结构测力更小，柔性更好。

设置在封装层5中的FBG传感器4的下端固定在悬浮支架3中各支架杆的远端，FBG传 感器4的上端固定在压电陶瓷振板6的边缘处，所述压电陶瓷振板6通过螺纹与压电陶瓷7 的位移输出轴固定连接，所述压电陶瓷7通过螺纹固定连接于测头底座9的底面上。FBG传 感器上下端固定点间的距离即为FBG敏感栅的长度，由于FBG传感器对应变敏感，而应变ε 可表示为：

$ϵ=\frac{\Delta l}{l}$

其中，l为发生应变的长度，在本实施例中为FBG敏感栅的长度，Δl为长度的变化量， 在本实施例中与探杆下端微球头的被测位移量成正比。因此l越短，位移测量的灵敏度越高。 但FBG敏感栅的长度越短，其中心波长的反射率将降低，带宽也将增加，降低FBG反射性 能。因此在本实施例中，所选FBG的中心波长为1550nm，FBG敏感栅的长度为10mm，反 射率大于95％，3db带宽小于0.15nm。

设置所述谐振式纳米三坐标接触式测头为动态谐振式位移测头，是以压电陶瓷7驱动FBG 传感器4在设定的频率和振幅上谐振运动，利用柔性悬臂2带动所述测量探头的动态谐振运 动；对于在所述微小球头上产生的被测位移量，以所述FBG传感器4相应产生的应变带来动 态谐振变化，获得各FBG传感器中心波长的谐振变量信号；对于所述FBG传感器中心波长的 谐振变量信号通过动态解调获得中心波长的谐振变量，根据所述中心波长的谐振变量得到探 头的位移量。

如图2所示，柔性悬臂2中三根柔性臂在柔性悬臂所在的平面中呈弧形，在圆周上均匀 分布的三根柔性臂与在圆周上均匀分布的支架杆为数量相等，并且三根柔性臂与三根支架杆 分处相交错的圆周位置上，对应设置的FBG传感器4亦为三根。每根柔性悬臂是厚度为0.1mm， 宽度为2mm的弧形片状结构，材料为高弹性铍青铜，相比于之前研究的钼丝悬线结构，片状 结构具有更优良的结构复位性、测量重复性和长期的结构稳定性，不会出现松弛、预紧力变 化等问题，同时弧形结构的应力分布更均匀。

本实施例中，柔性悬臂2是以铍青铜为材质，采用光学成像和化学蚀刻的方法制备而成； 柔性悬臂2的制备是在厚度为0.1mm的铍青铜薄片的外表加覆感光层，并进行结构尺寸的单 面光学成像曝光，使得在铍青铜薄片的一面感光层中含有结构尺寸信息，并在曝光后留下所 述结构尺寸信息，在铍青铜薄片的另一面感光层中不含结构尺寸信息，并在曝光后成为完全 固化层；完成曝光后对含有结构尺寸信息的一面进行单面化学蚀刻完成制备；设置光学成像 曝光的曝光时间为2分30秒，采用单面光学成像曝光解决了双面曝光产生的结构尺寸误差； 设置单面化学蚀刻的蚀刻温度为50℃，温度不宜过低，否则蚀刻时间增长，导致结构尺寸边 缘出现侧蚀现象，控制蚀刻时间为15分钟，可以有效避免蚀刻时间过长导致的侧蚀现象，保 证边缘质量。蚀刻完毕，需进一步脱去感光材料。这种加工方法与其他线切割等机械加工相 比较，不会出现由于机械加工应力而产生的薄片弯曲、翘曲现象，且具有边缘质量高、形状 误差小、结构尺寸信息更准确等显著优点，因此有助于减小测头结构的各向异性和测量误差。

FBG传感器4是在祼光纤上经紫外曝光制得光纤布拉格光栅4，在光纤布拉格光栅的表面 利用K-5707T工业硅胶进行涂覆式二次封装形成封装层5，封装直径为0.3mm。

为了测试本实施例中的光纤布拉格光栅谐振式纳米探头机构的稳定性和回零复位性等物 理性能，将其安装在精密固定机台上，同时架设SIOS单光束反射式激光干涉仪、PI闭环精 密微动控制台、压电陶瓷驱动器以及信号发生器等设备。在实验中，由PI闭环精密微动控制 台驱动高反射光学镜片产生纳米尺度的微位移，从而碰触探针球头，产生测量信号。由于谐 振式测头的测量结果为一动态信号，其均值和振幅均会随被测量变化而变化，利用labview 数据采集系统和SIOS单光束反射式激光干涉仪对此动态信号进行测量。为测试该谐振式纳 米探头稳定性和复位性进行以下实验，测量过程和结果如下：

当球头未接触被测表面时，进行系统测量值的稳定性监测，经过30秒的labview连续测 量，均值漂移量约0.7mv。另外进行连续2小时的长期稳定性监测，每10分钟做一组测量， 每组读10次测量数据并进行平均，12组测量的测量结果如图3所示，均值漂移量约3mv。

当探针球头已经接触被测表面后，进行系统测量值的稳定性监测，30秒内连续测量的均 值漂移量约1.2mV，连续2小时内的测量结果如图4所示，其均值漂移量约6mV。

复位性是触发式探头的基本指标之一，即当探针球头接触被测表面产生触发后，再撤回 未接触状态，探头能否回到初始零位的性能。

在实验中，由PI闭环精密微动控制台驱动高反射光学镜片产生垂直方向的微位移，并碰 触探针球头，其实验过程即探针球头与被测光学镜片之间经历从未接触状态到刚接触上到继 续进给一段位移Δd_i到再撤回至未接触状态这一过程，其中Δd_i分别为500nm、800nm、1000nm、 1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、1900nm，每组Δd_i重复进行10次测量，分别记录每次 撤回时的均值测量值和振幅测量值，如表1和表2所示，则每组Δd_i的标准差数据如图5所示， 其最大标准差分别为0.25688mV，即Δd_i为1000nm时，以及0.01745mV，即Δd_i为500nm时。

表1 复位性测试(均值测量值)

表2 复位性测试(峰峰值测量值)