基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统及其测量方法，其特征是测量系统包括传感模块、解调光路模块、信号转换模块和上位机；传感模块是采用基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头，测头中的三根FBG传感器连接在光开关矩阵的不同的输出端；由宽带光源发出的光经过光开关矩阵分时进入不同的FBG传感器，经过FBG传感器的反射后进入解调光路，设置在任意时刻仅有一根FBG传感器的反射信息利用匹配光栅在解调光路中得到解调，利用光开关矩阵实现对三根FBG传感器的空分复用的解调方式，分别得到每一根FBG传感器的测量值，实现三维测量和动态解调，其灵敏度高、重复性好、分辨力高、稳定性好。

权利要求

1.一种基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统，其特征是包括传感模块、解调光路模块、信号转换模块和上位机(7)；

所述传感模块，其采用基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头(1)，所述测头(1)中的三根FBG传感器(2)由测头(1)的内部引出，在所述测头(1)的侧壁上设置一根匹配光栅(3)；

所述解调光路模块，其采用光谱宽度为1525～1570nm的宽带光源，所述宽带光源通过第一耦合器(4)接入光开关矩阵(6)的输入端，所述三根FBG传感器(2)一一对应地连接在光开关矩阵(6)的不同的输出端；

所述第一耦合器(4)的反射端与第二耦合器(5)的入射端连接，所述匹配光栅(3)与第二耦合器(5)的输出端连接；

所述信号转换模块包括数据采集卡和光电探测器，在所述第二耦合器(5)的反射端设置光电探测器PD，所述光电控测器PD的探测信号由所述数据采集卡采集并传送到上位机(7)；

所述上位机(7)，其用于接收来自数据采集卡的探测信号，并向光开关矩阵(6)输出选通控制信号；

由宽带光源发出的光经过光开关矩阵(6)分时进入不同的FBG传感器(2)，经过FBG传感器(2)的反射后进入解调光路，设置在任意时刻仅有一根FBG传感器的反射信息利用所述匹配光栅(3)在解调光路中得到解调，利用光开关矩阵(6)实现对三根FBG传感器(2)的空分复用的解调方式，分别得到每一根FBG传感器(2)的测量值，实现三维测量。

2.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统，其特征是：所述匹配光栅(3)中与第二耦合器(5)的输出端相连接的一端固定于测头内壁，匹配光栅(3)的另一端在测头中呈悬空。

3.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统，其特征是：所述三根FBG传感器及一根匹配光栅均为3dB带宽不大于0.1nm的光纤光栅。

4.一种权利要求1所述基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统的测量方法，其特征是，设置所述测量系统按如下方式进行控制和数据采集：由上位机输出信号控制所述光开关矩阵中连接有FBG传感器的三个开关按确定的顺序依次循环切换，每次切换的间隔时长为T秒，比如：T＝200ms，每次切换后延时t秒以f赫兹/秒为采样频率进行数据采集，每次切换数据采集延续的时长为(T-t)秒，t可以取值为10ms，在时长为(T-t)的时间内采集获得一个数据序列，数据序列中相邻两个测量点的测量时间间隔为1/f秒；

以光开关矩阵中三个连接有FBG传感器的开关按设定的顺序切换一遍为一轮循环切换，一轮循环切换用时为3T秒；在3T秒的m倍的时长3mT中进行循环切换并进行数据采集，分别获得每根FBG传感器的m个数据序列，分别将每根FBG传感器的m个数据序列按采集时刻的顺序顺次排列，一一对应地获得三根FBG传感器的采集数据序列L1、L2和L3，其中m为正整数，所述采集数据序列L1、L2和L3都是长度为n的采集数据序列，各采集数据序列L1、L2和L3按式(1)表示为：式(1)中：

依次为采集数据序列L1中各测量点数据；

依次为采集数据序列L2中各测量点数据；

依次为采集数据序列L3中各测量点数据；

将各采集数据序列L1、L2和L3分别存储在上位机的不同存储单元中，依据式(2)计算获得每根FBG传感器的采集数据变化量的绝对值Δ1、Δ2和Δ3为：则有，基于光纤布拉格光栅的纳米三坐标微测头的输出信号数据序列C为：

利用绝对值Δ1、Δ2和Δ3，通过空间坐标解耦的方法实时获得空间三维坐标测量值。

说明书

基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统及测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米三坐标测头测量系统及测量方法，更具体地说是一种用于纳米量级的三坐标测量机测头结构的FBG三维测量系统。

背景技术

[0002] 随着现代工业对于高精度测量的需求不断增加，微米量级和纳米量级的测量技术得到迅速发展。对于微小零件的测量往往需要配合微米三坐标来进行，这就需要具备精度更高重复性更好的测头系统。现有的微米/纳米CMM测头发展出许多传感方式，并且趋于达到越来越高的精度，按照传感方式主要可以分成电容式、电磁式、光学式以及MEMS式等。

[0003] 由于具有低损耗、大带宽和不受电磁干扰等特点，光纤已成为现代通信网络中的重要传输媒介。光纤对很多物理量具有敏感性，因此也成为传感领域的重要器件。光纤传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可绕曲、体积小、可埋入工程材料及可进行分布式测量等优点备受关注，尤其是近年来发展非常迅速的光纤光栅。作为一种反射型的光纤无源器件，光纤布拉格光栅对温度、应变都有非常高的敏感特性和较高的分辨力，可测量如温度、应变、压力、折射率、湿度等物理量。

[0004] 然而，光纤光栅很少应用于微米/纳米量级的CMM测头上。由于FBG传感器是一种将应变/温度变化转换成波长变化的传感器，因而对于FBG在微米/纳米CMM测头上的应用，最关键的问题是测头系统所使用的FBG解调方法。南澳大利亚大学的研究中采用单根FBG实现了一维CMM测头，采用非平衡M-Z干涉仪结合CCD探头的方法解调FBG。在最终的实验里能够达到的轴向分辨力为60nm，但由于FBG传感器对横向的应变并不敏感，因而横向的分辨力等指标并不能确定。

[0005] 在公开号为105004267A的专利中，公开了一种基于FBG传感器的谐振触发式纳米三坐标微测头结构。其测头内部安装有三根FBG传感器，测头的封装机壳上具有四个光纤连接接口。测头工作在谐振状态，即当测头工作时，测头的测针带动FBG以固定频率固定振幅进行振动，当测头接触到被测物表面时，FBG上开始有传感信号，传感信号表现为两个信号的叠加形式，其中一个信号是由于谐振而引起的与测头振动频率一致的振动信号，另一个信号是由于接触而造成测头结构变形引起的静态信号。且随着测头与被测物体表面接触的加深，传感信号呈规律性变化。该测头设计为触发式纳米测头，不仅可以用于微小器件的坐标测量，而且可以为三坐标测量机提供测头触发信号。所谓触发信号，即是一个通过对比触发曲线与人为设定的触发阈值来判断测头是否与被测物体表面真实接触的信号。由于FBG传感元件是一种将轴向应变变化转变为FBG反射波长变化的光无源器件，并不能直接获得测量结果，但该专利文献中并未公开其三维测量方法。

[0006] 在申请号为200810244304.7的发明说明书中公开了一种“光纤布拉格光栅FBG三维测头”，用三根FBG实现测量，应用改进后的可调谐光纤光栅滤波器法进行解调。在解调方案方面，采用一根匹配光栅对三根传感器反射光的叠加效应进行匹配，最终分辨力达70nm。但由于该测头测量的是三根FBG传感器反射光的叠加效应，故而并不能分别得到每根FBG传感器的测量信号，因此不能实现真正的三维测量。同时，该测头的传感信号为静态信号，容易受到环境因素的干扰。尤其是测头采用1×3耦合器实现三根FBG传感器的反射光的叠加，得到的叠加光强衰减较大，无法达到较好的测量灵敏度与分辨力，叠加后的光线在匹配解调时线性度较差，测量范围受到极大的限制。

发明内容

[0007] 本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统及测量方法，以期真正实现三维测量，并且获得较高分辨力、较好重复性、较高灵敏度以及较好稳定性的测量性能。

[0008] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0009] 本发明基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统的特点是包括传感模块、解调光路模块、信号转换模块和上位机；

[0010] 所述传感模块，其采用基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头，所述测头中的三根FBG传感器由测头的内部引出，在所述测头的侧壁上设置一根匹配光栅；

[0011] 所述解调光路模块，其采用光谱宽度为1525～1570nm的宽带光源，所述宽带光源通过第一耦合器接入光开关矩阵的输入端，所述三根FBG传感器一一对应地连接在光开关矩阵的不同的输出端；

[0012] 所述第一耦合器的反射端与第二耦合器的入射端连接，所述匹配光栅与第二耦合器的输出端连接；

[0013] 所述信号转换模块包括数据采集卡和光电探测器，在所述第二耦合器的反射端设置光电探测器PD，所述光电控测器PD的探测信号由所述数据采集卡采集并传送到上位机；

[0014] 所述上位机，其用于接收来自数据采集卡的探测信号，并向光开关矩阵输出选通控制信号；

[0015] 由宽带光源发出的光经过光开关矩阵分时进入不同的FBG传感器，经过FBG传感器的反射后进入解调光路，设置在任意时刻仅有一根FBG传感器的反射信息利用所述匹配光栅在解调光路中得到解调，利用光开关矩阵实现对三根FBG传感器的空分复用的解调方式，分别得到每一根FBG传感器的测量值，实现三维测量。

[0016] 本发明基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统的特点也在于：所述匹配光栅中与第二耦合器的输出端相连接的一端固定于测头内壁，匹配光栅的另一端在测头中呈悬空。

[0017] 本发明基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统的特点也在于：所述三根FBG传感器及一根匹配光栅均为3dB带宽不大于0.1nm的光纤光栅。

[0018] 本发明基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统的测量方法的特点是：设置所述测量系统按如下方式进行控制和数据采集：

[0019] 由上位机输出信号控制所述光开关矩阵中连接有FBG传感器的三个开关按确定的顺序依次循环切换，每次切换的间隔时长为T秒，比如：T＝200ms，每次切换后延时t秒以f赫兹/秒为采样频率进行数据采集，每次切换数据采集延续的时长为(T-t)秒，t可以取值为10ms，在时长为(T-t)的时间内采集获得一个数据序列，数据序列中相邻两个测量点的测量时间间隔为1/f秒；

[0020] 以光开关矩阵中三个连接有FBG传感器的开关按设定的顺序切换一遍为一轮循环切换，一轮循环切换用时为3T秒；在3T秒的m倍的时长3mT中进行循环切换并进行数据采集，分别获得每根FBG传感器的m个数据序列，分别将每根FBG传感器的m个数据序列按采集时刻的顺序顺次排列，一一对应地获得三根FBG传感器的采集数据序列L1、L2和L3，其中m为正整数，所述采集数据序列L1、L2和L3都是长度为n的采集数据序列，各采集数据序列L1、L2和L3按式(1)表示为：

[0021]

[0022] 式(1)中：

[0023] 依次为采集数据序列L1中各测量点数据；

[0024] 依次为采集数据序列L2中各测量点数据；

[0025] 依次为采集数据序列L3中各测量点数据；

[0026] 将各采集数据序列L1、L2和L3分别存储在上位机的不同存储单元中，依据式(2)计算获得每根FBG传感器的采集数据变化量的绝对值Δ1、Δ2和Δ3为：

[0027]

[0028] 则有，基于光纤布拉格光栅的纳米三坐标微测头的输出信号数据序列C为：

[0029]

[0030] 利用绝对值Δ1、Δ2和Δ3，通过空间坐标解耦的方法实时获得空间三维坐标测量值。

[0031] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

[0032] 1、本发明采用光纤布拉格光栅谐振传感器进行感测，测量系统应用于微纳米尺度的坐标测量，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。

[0033] 2、本发明中测量系统的传感信号是由测头产生的动态信号，这种对动态信号的解调、测量方法可以削弱各种静态、准静态干扰，如温漂、零漂等的影响。

[0034] 3、本发明中测量系统由光开关矩阵实现对于三根FBG传感器的空分复用，这种测量方法可以实现真正的三维测量，并且用光开关矩阵实现的FBG复用方式信号衰减小，可以达到较高的灵敏度、分辨力，测量线性度好。本测量系统不仅可以提供测头的触发信号，还可以提供实时的空间坐标值。

[0035] 4、本发明中匹配光栅与FBG传感器均采用3dB带宽不大于0.1nm的光栅，实验证明，带宽的降低可以有效提高测量系统的灵敏度和分辨力。

[0036] 5、本发明中采用的匹配光栅固定于测头内壁，匹配光栅与传感光栅近似处于一个温度场中，这种设置可以有效减小环境温度对测量的影响，大大提高测量系统的稳定性与重复性。

附图说明

[0037] 图1为本发明结构示意图；

[0038] 图2为本发明中解调光路的结构示意图；

[0039] 图3a和图3b分别为本发明系统Z方向重复性和标准差测试结果；

[0040] 图4a和图4b分别为本发明系统X方向重复性和标准差测试结果；

[0041] 图5a和图5b分别为本发明系统Y方向重复性和标准差测试结果；

[0042] 图6a和图6b分别为本发明系统X/Y/Z三个方向分别的回零重复性测试结果；

[0043] 图7a和图7b分别为本发明系统X/Y/Z三个方向分别的触发重复性测试结果；

[0044] 图中标号：1测头，2为FBG传感器，3匹配光栅，4第一耦合器，5第二耦合器，6光开关矩阵，7上位机。

具体实施方式

[0045] 本实施例中所涉及的测头是在公开号为CN105004267A、申请号为201510391756.8、发明名称为“基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头”的发明专利说明书中记载的谐振式纳米三坐标接触式测头。

[0046] 参见图1和图2，本实施例中基于布拉格光栅的纳米三坐标微测头测量系统包括传感模块、解调光路模块、信号转换模块和上位机7。

[0047] 传感模块采用基于光纤布拉格光栅的谐振式纳米三坐标接触式测头1，测头1中的三根FBG传感器2由测头1的内部引出，在测头1的侧壁上设置一根匹配光栅3。

[0048] 解调光路模块采用光谱宽度为1525～1570nm的宽带光源，宽带光源通过第一耦合器4接入光开关矩阵6的输入端，三根FBG传感器2一一对应地连接在光开关矩阵6的不同的输出端。

[0049] 第一耦合器4的反射端与第二耦合器5的入射端连接，匹配光栅3与第二耦合器5的输出端连接。

[0050] 信号转换模块包括数据采集卡和光电探测器，在第二耦合器5的反射端设置光电探测器PD，光电控测器PD的探测信号由所述数据采集卡采集并传送到上位机7；上位机7用于接收来自数据采集卡的探测信号，并向光开关矩阵6输出选通控制信号。

[0051] 由宽带光源发出的光经过光开关矩阵6分时进入不同的FBG传感器2，经过FBG传感器2的反射后进入解调光路，设置在任意时刻仅有一根FBG传感器的反射信息利用匹配光栅3在解调光路中得到解调，利用光开关矩阵6实现对三根FBG传感器2的空分复用的解调方式，分别得到每一根FBG传感器2的测量值，实现三维测量。

[0052] 本实施例中，匹配光栅3中与第二耦合器5的输出端相连接的一端固定于测头内壁，匹配光栅3的另一端在测头中呈悬空。这一形式使匹配光栅与FBG传感器置于同一温度场；且匹配光栅的单端固定方式有利于减小光栅产生的应变。

[0053] 三根FBG传感器及一根匹配光栅均为3dB带宽不大于0.1nm的光纤光栅。

[0054] 测量系统按如下方式进行控制和数据采集：

[0055] 由上位机输出信号控制所述光开关矩阵中连接有FBG传感器的三个开关按确定的顺序依次循环切换，每次切换的间隔时长为T秒，每次切换后延时t秒以f赫兹/秒为采样频率进行数据采集，每次切换数据采集延续的时长为(T-t)秒，在时长为(T-t)的时间内采集获得一个数据序列，所述数据序列中相邻两个测量点的测量时间间隔为1/f秒；

[0056] 以光开关矩阵中三个连接有FBG传感器的开关按设定的顺序切换一遍为一轮循环切换，一轮循环切换用时为3T秒；在3T秒的m倍的时长3mT中进行循环切换并进行数据采集，分别获得每根FBG传感器的m个数据序列，分别将每根FBG传感器的m个数据序列按采集时刻的顺序顺次排列，一一对应地获得三根FBG传感器的采集数据序列L1、L2和L3，其中m为正整数，所述采集数据序列L1、L2和L3都是长度为n的采集数据序列，所述各采集数据序列L1、L2和L3按式(1)表示为：

[0057]

[0058] 式(1)中：

[0059] 依次为采集数据序列L1中各测量点数据；

[0060] 依次为采集数据序列L2中各测量点数据；

[0061] 依次为采集数据序列L3中各测量点数据；

[0062] 依据式(2)计算获得每根FBG传感器的采集数据变化量的绝对值Δ1、Δ2和Δ3为：

[0063]

[0064] (2)

[0065] 则有，基于光纤布拉格光栅的纳米三坐标微测头的输出信号数据序列C为：

[0066]

[0067] 利用绝对值Δ1、Δ2和Δ3，通过空间坐标解耦的方法实时获得空间三维坐标测量值；本发明利用光开关矩阵实现对三根FBG的空分复用的解调方式，这种方式分别得到每一根FBG传感器的测量值，因而可以实现真正的三维测量。

[0068] 为了验证本实例中测量系统的灵敏度、重复性、单点触发/回零重复性、分辨力等指标，搭建下述测量系统进行初步试验。将测头1安装于精密固定台，搭建测量系统，同时架设SIOS单光束反射式激光干涉仪和PI闭环精密微动控制台。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，从而碰触测头探针，产生测量信号。利用上位机测量软件和SIOS单光束反射式激光干涉仪对信号进行测量，测量过程和结果如下：

[0069] 设定PI闭环精密微动控制台的步进为100nm，每次步进后记录三维解调系统的输出情况，实验在2um范围内进行。调整PI闭环精密微动控制台分别从垂直方向(Z)与水平方向(X、Y)与测针进行接触，每个方向进行五组实验。如图3a和3b所示为Z方向的重复性实验结果以及标准差计算结果。通过图3a的重复性实验结果拟合得到Z方向的灵敏度为164.19mV/um，图3b中重复性标准差数据的最大值为3.26mV，用上述拟合灵敏度换算得到Z方向的重复性标准差不大于19.86nm。如图4a和4b所示为X方向的重复性实验结果及标准差计算结果。通过图4a的重复性实验结果拟合得到X方向的灵敏度为100.47mV/um，图4b中重复性标准差数据的最大值为4.81mV，用拟合得到的X方向灵敏度换算得到X方向的重复性标准差不大于47.87nm。如图5a和5b所示为Y方向的重复性实验结果及标准差计算结果。通过图5a的重复性实验结果拟合得到Y方向的灵敏度为118.29mV/um，图5b中重复性标准差数据的最大值为4.54mV，用拟合得到的Y方向灵敏度换算得到Y方向的重复性标准差不大于
38.38nm。测量系统的重复性标准差是测量系统从同一方向对同一输入进行多次连续测量所得到的误差，测量系统的重复性标准差越小，测量系统越稳定。同时，根据测量系统重复性实验数据拟合得到灵敏度，灵敏度是单位待测量变化所导致测量值变化的程度，灵敏度越大，测量系统的信噪比越低。

[0070] 触发/回零重复性是触发式探头测量系统的基本指标之一。触发重复性是当测头从未接触被测物到一次性接触被测表面一定深度时，测量系统输出是否稳定的性能。回零重复性是当测头接触被测物表面并撤回未接触状态时，测量系统输出能否回到零位的性能。

[0071] 为了验证本测头机构的回零重复性与触发重复性，分别从X、Y、Z三个方向进行测试，测试采用的位移规格分别为200nm、500nm与1000nm。回零和触发重复性的实验方法如下：调节PI闭环精密微动控制台至临界接触的位置，设置PI闭环精密微动控制台每次的步进分别为200nm、500nm、1000nm。分别从X、Y、Z三个方向接触测头，每个规格的步进为一组实验，调节PI闭环精密微动控制台步进至当前规格位移，待测量系统输出数值稳定后，退回至临界位置，记录当前的测量输出，反复测量至少十次，作为该组的实验结果。

[0072] 如图6a为三个方向(X、Y、Z)的回零重复性标准差结果，图6b为根据三个方向的灵敏度换算得到的回零重复性标准差结果。结合图6a和6b可以得到：X、Y、Z三个方向的回零重复性标准差不超过24.98nm。回零重复性标准差表征测量系统回到零点时的稳定性，该数值越小，测量系统回到零点的性能越稳定。如图7a为三个方向(X、Y、Z)的触发重复性标准差结果，图7b为根据三个方向的灵敏度换算得到的触发重复性标准差结果。结合图7a和7b可以得到：X、Y、Z三个方向的触发重复性不大于24.45nm。触发重复性表征测量系统从零点突然跳变到一定触发值时测量系统输出的稳定情况，触发重复性标准差越小，测量系统的触发性能越稳定。

[0073] 为了得到本测量系统的分辨力情况，需要了解在该测头结构下本测量系统的噪声水平。配置测头与PI闭环精密微动控制台处于任意接触状态，采集30s测量数据用于提取噪声数据序列。根据噪声数据序列，分别计算相邻测量点的电压差值，比较得到该序列上任意相邻测量点之间的电压差的绝对值不大于2.24mV，因而系统的噪声水平约为2.24mV。由于分辨力约等于噪声水平与灵敏度的比值，因而以实验得到的最大灵敏度(即Z向灵敏度164.19mV/um)计算，可以得到该测头系统能达到的最好分辨力为13.64nm。系统分辨力表征测量系统能够分辨的被测量的最小变化，计算得到的分辨力数值越小，测量系统的分辨力越好，测量系统越容易达到更高的测量精度。