針對微小元件對其尺寸的高精度測量要求,以及對應用于微納米尺寸的三坐標測頭的需求,本文研制了一套可用于微米/納米三坐標的接觸式測頭系統(tǒng)。該測頭以布拉格光纖光柵(FBG)作為傳感元件,測頭內封裝有壓電陶瓷元件使其工作在振動狀態(tài),可以實現(xiàn)真正的三維坐標測量。該測頭主要可分為位移傳遞機構和三維FBG傳感系統(tǒng)兩部分:位移傳遞機構由測針、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頭的位移轉化為FBG傳感器的軸向應變;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、耦合器等構成,用于實現(xiàn)三維測量。本文主要完成的工作如下:(1)從FBG的傳感、解調以及復用的基本原理出發(fā),提出了三維納米測頭的測量機理。對測頭的傳感機理、測頭機械結構進行介紹,分析了適用于測頭環(huán)境的FBG解調方案。對基于非平衡M-Z干涉儀法和基于匹配光柵法這兩種解調方法在測頭環(huán)境中FBG解調的應用進行了詳細的實驗對比,并最終采用基于空分復用方法的匹配光柵法對測頭內的FBG信號進行復用解調。(2)基于對測頭的測量機理的研究,制作出一套測頭系統(tǒng)樣機。并構建了測試系統(tǒng)分別對測頭的靈敏度、分辨力、重復性等性能進行了測試。測試結果顯示,測頭的分辨力達到13.18nm,測頭靈敏度高于100.47mV/um,整體重復性小于48nm,非線性誤差小于1.58%,回零、觸發(fā)重復性均小于25nm。(3)根據測頭的機械結構推導出了該測頭的理論空間坐標解耦模型,并給出了基于多元線性回歸的測頭坐標耦合模型,提出了測頭的坐標解耦方法。分析了該解耦模型的可行性,并通過實驗結果證實該耦合模型的模型估計誤差小于56nm。對測頭系統(tǒng)的誤差源進行了分析,并給出了測頭系統(tǒng)的誤差傳遞關系。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TH721
【部分圖文】：

合肥工業(yè)大學碩士學位論文英國國家物理實驗室（NPL）開發(fā)的微測頭[6,7]，如圖 1.2 所示。其測頭構在各個方向上具有相等的探測剛度，缺點是當測桿移出 xy 平面時，會產的平移；當測球沿著縱向移動時會產生 z 軸旋轉；當支撐探針的三個簧片會導致探針 z 軸平移和 x、y 軸旋轉。這種測頭的移動部件的質量僅有 350量分辨率達到 3nm，測量范圍±20μm，剛度 10N/m，探測力 0.2mN。

的平移；當測球沿著縱向移動時會產生 z 軸旋轉；當支撐探針的三個簧片彎曲時會導致探針 z 軸平移和 x、y 軸旋轉。這種測頭的移動部件的質量僅有 350mg, 測量分辨率達到 3nm，測量范圍±20μm，剛度 10N/m，探測力 0.2mN。（1）豎直方向感測圓球（2）反射鏡（3）物鏡（4）豎直方向 CCD圖 1. 1 德國 PTB 的光纖探頭系統(tǒng)原理圖和 Z 方向感測圖像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，用干涉儀得出球的位置動）、靜電效應和粘附效應等因的。為了克服這個問題，可以讓M 測量結果的比較得到測量誤差N/m，測量分辨率 10nm，重復性k=2）。這種測頭的優(yōu)點在于沒有，測力可以小于 10-5N。50
【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 范哲光;費業(yè)泰;丁邦宙;;基于光纖布拉格光柵(FBG)原理的三坐標測量機測頭結構[J];工具技術;2010年11期

2 關柏鷗,余有龍,葛春風,劉志國,董孝義,譚華耀;一種高分辨率的光纖光柵傳感解調技術[J];光學學報;2000年11期

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1 李瑞君;納米三坐標測量機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;2013年

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1 王凱;光纖干涉型水聽器PGC信號解調及應用技術研究[D];天津大學;2010年

本文編號：2865839