針對(duì)微小元件對(duì)其尺寸的高精度測(cè)量要求,以及對(duì)應(yīng)用于微納米尺寸的三坐標(biāo)測(cè)頭的需求,本文研制了一套可用于微米/納米三坐標(biāo)的接觸式測(cè)頭系統(tǒng)。該測(cè)頭以布拉格光纖光柵(FBG)作為傳感元件,測(cè)頭內(nèi)封裝有壓電陶瓷元件使其工作在振動(dòng)狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)真正的三維坐標(biāo)測(cè)量。該測(cè)頭主要可分為位移傳遞機(jī)構(gòu)和三維FBG傳感系統(tǒng)兩部分:位移傳遞機(jī)構(gòu)由測(cè)針、支架、彈性懸臂、壓電陶瓷振板、固定裝置等組成,可以將任意方向觸碰測(cè)頭的位移轉(zhuǎn)化為FBG傳感器的軸向應(yīng)變;三維FBG傳感系統(tǒng)由三根傳感FBG和一根匹配光柵、光源、光開關(guān)、耦合器等構(gòu)成,用于實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量。本文主要完成的工作如下:(1)從FBG的傳感、解調(diào)以及復(fù)用的基本原理出發(fā),提出了三維納米測(cè)頭的測(cè)量機(jī)理。對(duì)測(cè)頭的傳感機(jī)理、測(cè)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,分析了適用于測(cè)頭環(huán)境的FBG解調(diào)方案。對(duì)基于非平衡M-Z干涉儀法和基于匹配光柵法這兩種解調(diào)方法在測(cè)頭環(huán)境中FBG解調(diào)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,并最終采用基于空分復(fù)用方法的匹配光柵法對(duì)測(cè)頭內(nèi)的FBG信號(hào)進(jìn)行復(fù)用解調(diào)。(2)基于對(duì)測(cè)頭的測(cè)量機(jī)理的研究,制作出一套測(cè)頭系統(tǒng)樣機(jī)。并構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)測(cè)頭的靈敏度、分辨力、重復(fù)性等性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示,測(cè)頭的分辨力達(dá)到13.18nm,測(cè)頭靈敏度高于100.47mV/um,整體重復(fù)性小于48nm,非線性誤差小于1.58%,回零、觸發(fā)重復(fù)性均小于25nm。(3)根據(jù)測(cè)頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出了該測(cè)頭的理論空間坐標(biāo)解耦模型,并給出了基于多元線性回歸的測(cè)頭坐標(biāo)耦合模型,提出了測(cè)頭的坐標(biāo)解耦方法。分析了該解耦模型的可行性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該耦合模型的模型估計(jì)誤差小于56nm。對(duì)測(cè)頭系統(tǒng)的誤差源進(jìn)行了分析,并給出了測(cè)頭系統(tǒng)的誤差傳遞關(guān)系。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH721
【部分圖文】：

合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）開發(fā)的微測(cè)頭[6,7]，如圖 1.2 所示。其測(cè)頭構(gòu)在各個(gè)方向上具有相等的探測(cè)剛度，缺點(diǎn)是當(dāng)測(cè)桿移出 xy 平面時(shí)，會(huì)產(chǎn)的平移；當(dāng)測(cè)球沿著縱向移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生 z 軸旋轉(zhuǎn)；當(dāng)支撐探針的三個(gè)簧片會(huì)導(dǎo)致探針 z 軸平移和 x、y 軸旋轉(zhuǎn)。這種測(cè)頭的移動(dòng)部件的質(zhì)量?jī)H有 350量分辨率達(dá)到 3nm，測(cè)量范圍±20μm，剛度 10N/m，探測(cè)力 0.2mN。

的平移；當(dāng)測(cè)球沿著縱向移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生 z 軸旋轉(zhuǎn)；當(dāng)支撐探針的三個(gè)簧片彎曲時(shí)會(huì)導(dǎo)致探針 z 軸平移和 x、y 軸旋轉(zhuǎn)。這種測(cè)頭的移動(dòng)部件的質(zhì)量?jī)H有 350mg, 測(cè)量分辨率達(dá)到 3nm，測(cè)量范圍±20μm，剛度 10N/m，探測(cè)力 0.2mN。（1）豎直方向感測(cè)圓球（2）反射鏡（3）物鏡（4）豎直方向 CCD圖 1. 1 德國(guó) PTB 的光纖探頭系統(tǒng)原理圖和 Z 方向感測(cè)圖像Fig 1.1 Schematic view of the probe of PTB, and camera image of the upper target forthe determination of the Z-displacement

第一章 緒論接觸時(shí)，用干涉儀得出球的位置動(dòng)）、靜電效應(yīng)和粘附效應(yīng)等因的。為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以讓M 測(cè)量結(jié)果的比較得到測(cè)量誤差N/m，測(cè)量分辨率 10nm，重復(fù)性k=2）。這種測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有，測(cè)力可以小于 10-5N。50
【參考文獻(xiàn)】

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1 范哲光;費(fèi)業(yè)泰;丁邦宙;;基于光纖布拉格光柵(FBG)原理的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭結(jié)構(gòu)[J];工具技術(shù);2010年11期

2 關(guān)柏鷗,余有龍,葛春風(fēng),劉志國(guó),董孝義,譚華耀;一種高分辨率的光纖光柵傳感解調(diào)技術(shù)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2000年11期

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1 李瑞君;納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三維大量程接觸掃描探頭系統(tǒng)的研制[D];合肥工業(yè)大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：2865839