高精度光学测量微位移技术综述(2)

通过和智能控制系统的联合，同时开发更好更快的处理算法，以求最大程度的实现光电三角法的柔性测量，在德国的米铱测试技术公司所提出的采用激光三角位移传感器optoNCDT2200中已经实现了实时被测物体表面特性差异补偿。 2.2 激光干涉法微位移测量技术

激光干涉位移测量技术是以激光波长为基准，通过干涉原理对位移进行测量的技术。按照工作原理不同，主要有双光束干涉和多光束干涉两种类型。迈克尔逊干涉仪或类似结构是双光束激光干涉仪主要结构形式，广泛应用于各种位移测量场合，它又分为零差干涉仪和外差干涉仪两大类。而多光束干涉仪主要指法布里－珀罗干涉仪（下文简称法－珀干涉仪），它主要用于高分辨力微位移测量。此外还有其它一些结构类型及相应的改进型激光干涉仪。 2.2.1 激光干涉仪分类及测量原理 （1）零差激光干涉仪

零差干涉仪是一种较简单的位移测量干涉仪形式，图3为基于迈克尔逊干涉仪结构的零差干涉仪示意图。

参考镜分光棱镜激光器反射镜测量镜探测器

图3 零差干涉仪示意图

由稳频激光器发出的光被分光棱镜分为测量光束和参考光束，测量镜发生位移时会引起光程差的改变，通过观测干涉条纹的移动量或由干涉条纹强度分布得到的相位变化即得到被测位移，基本测长公式即：

L?N? (12) 2其中N是光电接收器接收到的干涉场固定点明暗变化的次数。在信号处理时加入移相系统，还可以实现位移方向的判别。

零差干涉仪结构简单，应用较为广泛。虽然光学倍程、电子倍频、干涉条纹细分等技术发展的使零差干涉仪的测量精度大为提高，但因受各种误差因素限制，传统干涉测量分辨力只能达到λ/10～λ/20。零差干涉仪有个最大缺陷是光电接收器后的前置放大器只能用直流放大器，对激光器的频率稳定度和测量环境（温度、振动等）要求很高，测量时不允许干涉仪两臂的光强有较大变化。 （2）外差激光干涉仪

外差干涉仪是采用具有一定频差Δf的双频光束作为载波信号的干涉仪，其典型结构如图4所示，测量镜位移产生的多普勒频移使得参考光束和测量光束的拍频信号改变，通过测量由Δf变化引起的条纹变化量或位相变化量，即得被测位移。

f2 f21/4波片双频激光器f1f2检偏器1分光镜偏振分光镜f1-f2检偏器2f1+△f(f1+△f)-f2光电探测器2前放1/4波片f1测量镜光电探测器1前放

计算机

图4 外差干涉仪示意图

由于即使测量镜不发生位移，干涉仪仍保留－Δf的交流信号，因此光电接收器后的前置放大器可用交流放大器，可有效抑制外界环境引起的直流漂移及大部分随机噪声，提高检测准确度和重复性。同时若选用高放大倍数的交流放大器还可大大降低对光强的要求。目前，外差干涉仪的位移测量分辨力已达到0。1nm。

由于外差干涉仪的抗干扰能力较强，适用于现场作业，应用非常广泛。但传统外差干涉仪不可避免地存在由偏振分光镜分光性能不理想引起的偏振态和频率混合现象，从而引起非线性测量误差，针对这一缺点，Wu等人设计了如图4所示的差动式外差干涉仪，它利用声光调制晶体实现了两个不同偏振态和频率的光束的完全分开，避免了上述非线性测量误差[13]。

2.2.2 激光干涉位移测量技术的发展趋势

激光干涉位移测量技术以其独特优势已成为高分辨力位移测量的最实用工具之一，但目前最先进的纳米加工和测量技术多来自工业发达国家，我国因起步较晚，与发达国家尚有差距。根据激光干涉位移测量技术的发展现状和微纳米技术发展的需要，可以预想激光干涉位移测量技术近期主要有以下几个发展方向：

① 向亚纳米量级以上高分辨力方向发展。科技的进步以及精密制造业的迅速发展对位移测量的分辨力和准确度提出了更高要求，而且，当前激光干涉位移测量技术遇到的一个普遍问题是，作为溯源手段，扫描探针显微镜等测量手技术比现有最好干涉仪的准确性至少高一个数量级，即现有的计量设备无法满足实际的标定和校准需求，因此具有亚纳米甚至更高分辨力新型位移测量技术的发展是大势所趋。

② 改进已有测量技术的同时，不断开发和应用新的激光干涉测量技术。在光学测量领域，除激光器的出现将计量学带入一个新纪元，尚没有代表性的新原理出现，目前做得最多的是进一步改进和完善已有干涉仪的结构和性能，同时，将干涉仪与其它方法结合成为纳米测量发展的一大趋势，如前面提到的将X射线干涉测量技术与激光干涉仪结合弥补各自缺点的方法[14]。

③ 解决高分辨力与大测量范围之间的矛盾。未来的位移测量要求在数十毫米以上的范围内达到亚纳米级以上分辨力，依靠单一的测量方法难以实现。结合多种测量方法以弥补各自的不足是解决矛盾的突破口。同时，提高信号处理能力、提高测量系统中机械部分的装配和运动精度、改善光源质量、降低外界环境干扰等都是大范围高分辨力位移测量努力的方向。 2.3 光栅尺微位移测量技术 2.3.1 光栅尺微位移测量原理

光栅尺测量的基本原理为：标尺与扫描掩模之间的相对移动，在光源照射下形成莫尔条纹，莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号，就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法，得到不同测量步距的计数脉冲信号，脉冲信号一般是两路正交的信号，这两路信号接入后续的可逆计数电路，计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。

光栅尺测量的最大允许移动速度是由光栅尺的输出频率及光栅扫描信号的

信号周期决定的，它们有如下关系：

Vmax?fmax?sp (13)

式中，Vmax为光栅尺最大允许移动速度，单位：mm/s；fmax为光栅尺最大输出频率，单位：kHz；sp为光栅信号的信号周期，单位：μm。

在光栅信号的信号周期不变的前提下，Vmax与光栅尺输出频率成正比。测量步距对应着分辨率，若提高电子细分电路的细分倍频数，则分辨率提高(测量步距减小)，由于受到电子细分电路的响应频率及后续计数电路的输入频率的限制，随着细分倍数的提高，光栅尺的输出频率下降，则测量的最大允许速度下降，所以光栅尺的测量步距与测量的最大允许移动速度Vmax成反比。因此，用于高速测量的光栅尺(最大允许移动速度≥1 m/s)，其分辨率一般为微米级(0。1～2μm)，而用于低速测量的光栅尺(速度≤500 mm/s)，分辨率可达到纳米级(1～50 nm)。 2.3.2 双光栅尺位移测量仪结构

双光栅尺位移测量仪的构成框图如图5所示，由直线运动平台、粗光栅尺、精光栅尺、双光栅尺处理电路FPGA和ARM LPC2138组成。粗光栅尺采用英国RENISHAW公司的RGB25X型，测量步距0。5μm(分辨率)；精光栅尺采用英国RENISHAW公司的RGB25X型，测量步距10nm(分辨率)。双光栅尺处理电路采用Altera公司Cyclone III系列EP3C80F484型号的FPGA，并扩展液晶显示、RS-232接口、键盘等外围设备[15]。

直线运动平台粗光栅精光栅双光栅尺处理电路FPGALCD显示ARMLPC2138RS-232接口PC机

图5 光栅尺位移测量仪结构

2.4 光纤光栅微位移测量技术

目前，国内外对布拉格光纤光栅(in-fiber bragg grating，FBG)传感系统研究多基于传统应变片式，如一种同时测量温度与压力的FBG传感器，但其FBG粘贴在应变片上，属于传统的应变式传感器，且测量力较大(10N)[16]，不能满足微器件、微尺寸测量的需要。因此，研究具有纳米级精度的FBG微位移测量系统

具有重要的理论意义和实用价值。 2.4.1 光纤光栅微位移测量原理

基于FBG可调谐微位移测量系统构架如图所示，系统主要包括ASE光源、测量FBG探针式测头、FBG可调谐匹配法解调系统&系统信号处理等部分。当测量FBG受到轴向应变时，其中心波长发生漂移，通过可调谐匹配法解调波长，高灵敏度探测器将光强信号转化为电压信号，然后通过数据采集卡将电压信号上传到上位机。信号发生器和HPV型压电陶瓷驱动电源提供高压锯齿波，驱动压电陶瓷进行伸缩运动，扫描测量FBG的信号。

ASE光源耦合器1开关电源耦合器2补偿FBG匹配FBG压电陶瓷HPV型压电陶瓷驱动电源位移FBG高灵敏度探测器PIN数据采集卡

PC信号发生器

图6 光纤光栅微位移测量系统框图

在FBG光纤光栅传感系统中，信号解调是传感系统的关键技术之一，它将直接影响整个传感系统的测量分辨率，因此解调方法是系统设计重点$该设计采用可调谐匹配光纤光栅法，这种解调方案的优点是体积小、结构简单、精度高。其解调结构如图6所示，宽带光源经过2×2耦合器1进入到测量FBG中，从测量FBG中反射回来的光经过2×2耦合器2入射到匹配FBG中，用探测器检测从匹配光栅反射的能量大小。因此，探测器接收到的能量是测量FBG和匹配FBG的反射谱重合的部分能量。当测量FBG与匹配FBG中心波长重合时，探测器接受光能最大，当测量FBG受到应变影响时，测量FBG的波长发生漂移，从而使匹配光栅反射的能量产生变化，探测器接收到的能量发生变化，利用压电陶瓷拉伸匹配FBG扫描整个设计光谱范围，搜寻最大的接收光能，从而找到测量FBG的新中心波长的位置，再经过后继信号处理，完成波长解调。 2.5 X射线干涉法微位移测量技术 2.5.1 X射线干涉法测量原理

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