基于光杠杆原理的纳米级微位移测量系统研究

　　1　引　言

　　目前能够实现微米级精度位移测量的方法有多种,包括激光干涉法、电容测量法、电感测量法等。这些测量方法存在结构复杂,测量范围小,易受温度影响,价格昂贵等缺点[1]。介绍一种基于光杠杆原理的光学微位移测量系统,测量精度达到nm量级。实验结果表明,该装置不但灵敏度高,重复性好,结构简单,而且基于此种设计思想,易于构成MEMS,实现测量系统微型化。

　　2　光杠杆测距原理

　　利用光杠杆机构测量微小距离的装置结构及原理如图1所示。测量装置由一对平面反光镜A和A′,光源和光电探测器组成。其中,A平面反光镜固定,A′平面反光镜可动。A′的一端是个支点,另一端可以绕支点自由转动。光源选用LD激光器,探测器采用高灵敏度位置传感器——位置敏感探测器PSD (positionsensitive detectors)。

　　测量时,激光光源放置在固定平面反射镜A一侧,光束射向可动平面反射镜A′,被测物体以点接触的方式触碰在平面反射镜A′背面。A和A′的初始位置时互相平行,沿轴向方向相互错开一段微小距离(0.5mm),如图中实线所示。LD激光器发出的光束经过A的末端入射到A′的自由端,入射角<3°。该光束在两平面反光镜间多次反射后由A的另一端出射,照到PSD光敏面。当被测物体有一个微小的位移ΔL后,动镜A′被测物的推动,绕固定端转动,转过角度Δθ,如图中虚线所示。光源入射角的变化量同为Δθ,由式(1)表示:

式(1)中D为被测物体接触点到A′镜铰链的距离

在变化量不大的情况下公式(1)可以近似为:

出射角变化量Δβ为:

式(3)中n为光线在两平板反射镜中的有效反射次数。得到光点在PSD上的移动量为:

式(4)中h为光线出射点到PSD间的距离。可以得到此实验装置的放大系数K为:

　　由于光线是以很小的角度入射的,所以光线在两平板反射镜中的反射次数相当可观[2]。在所设计的实验装置中,30mm的长度的平板反射镜上反射次数超过20次。而其放大系数K可以达到200倍左右。

　　3　测量系统

　　基于光杠杆原理的测量系统由驱动装置、光杠杆测微距系统以及信号采集系统组成,组成框图如图2所示。

　　驱动装置选用压电陶瓷(PZT),作为被测物位移标准输出[3]。在平面镜A出射光线和PSD之间,放置一面正透镜,焦距180mm,PSD位于透镜焦点处。信号采集系统包括PSD信号调理电路,数据采集卡和计算机。

　　压电陶瓷(PZT)精密可控微位移器,是近年发展起来的一项新技术。它由压电陶瓷材料构成,是一种易于控制、精密电驱动微位移器。工作原理是利用压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应,用输入电压精密控制器件在一定方向上输出位移量。压电微位移器的位移分辨力高达nm级,可根据不同的应用场合和要求,选择不同机理的压电材料,获得优良的位移线性度。