，在本实施例中为FBG敏感栅的长度，Δ1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1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〇
[0032] 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。
[0033] 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. 1_，宽度为2_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。
[0034] 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0.1 mm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°C，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。
[0035] FBG传感器4是在裸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. 3_。
[0036] 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Iabview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：
[0037] 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Iabview 连续测量，均值漂移量约〇. 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〇
[0038] 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I. 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。
[0039] 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。
[0040] 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Ad 1到再撤回至未接触状态这一过程，其中Ad1分别为500nm、 800nm、lOOOnm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、1900nm，每组 Δ (Ii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△山的标准差 数据如图5所示，其最大标准差分别为0. 25688mV，即Δ Cl1为1000 nm时，以及0. 01745mV， 艮P厶山为50〇111]1时。
[0041] 表1复位性测试（均值测量值）
[0042]
【主权项】
1. 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，其特征是所述测头的结 构设置为： 一个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； 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。2. 根据权利要求1所述的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：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。3. 根据权利要求1所述的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：所述柔性悬臂（2)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。4. 根据权利要求1所述的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：所述柔性悬臂（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。5. 根据权利要求4所述的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：所述柔性悬臂（2)的制备是在厚度为0.1 mm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 °C，蚀刻时间为15分钟。6. 根据权利要求1所述的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：所述FBG传感器（4)是在裸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（5)，封装直径为0. 3_。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01B11/00
【公开号】CN105004267
【申请号】CN201510391756
【发明人】刘芳芳, 陈丽娟, 王景凡, 夏豪杰, 李红莉
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月3日