基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光纤高分辨率光学传感领域，具体涉及了针对于微纳米级别的位移传感的一种系统设计。

背景技术

近年来微纳米技术的兴趣一直在增长。最近通过微制造工艺制造的许多精细组件，如微机电系统、微流体芯片、喷墨和柴油机喷油嘴、制造业小型化的趋势导致了对微米到几十纳米的微纳米测量技术的需求，这种技术能够测量小部件上的微小特征如位移或微变形。这两者的测量在机械设备监测中起着至关重要的作用。例如，重型机床的关键部件，包括大型底座和横梁，其自重或温度引起的微变形对加工精度甚至使用寿命产生不利影响。可以清楚地看出，精确测量这种变形是降低加工误差的第一步。然而，这种变形是微小的，因此需要高精度的测量。而且，这种变形通常沿其长度分布，且振幅较小。因此，开发一种分布式、高精度的位移测量方法是一项具有重要意义和挑战性的工作。在早期阶段，由于电位移传感器技术的成熟，这些已经被广泛使用，使用这种传感器的例子包括基于非接触式平面螺旋线圈的传感器，电感式位移传感器，分辨率一般为μm量级。此外，还开发了基于电磁阻抗的位移传感器用于位移测量。但这些传感器存在电磁干扰，难以实现多点分布式检测以及高分辨率测量。目前毫米级、微米级或纳米级的位移很难以高分辨率进行估计。

现有技术中对于微位移检测一般使用基于FBG探针的系统，一般都是需要设置两个FBG探针，结构较为复杂，例如CN113074841B基于FBG探针系统的形变灵敏度测量方法及界面力标定方法中公开的系统，其系统中有解调FBG和测量FBG两个探针。

发明内容

本发明针对上述技术存在的问题和对现有技术的理解，提出了一种将布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)制备成锥形探针，并结合音叉反馈式原子力控制模块控制探针到金膜样品之间的距离来调整引入的相移，通过该结构使得微纳布拉格光纤光栅与金膜样品之间形成了相移量灵活可变的相移光栅，同时通过相移光栅其窄带的高灵敏度完成微小位移动态高速解调的系统。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置，其特征在于：由光源1发射出的连续宽带激光经过光纤传输至FBG探针2，FBG探针2及其在金膜样品3反射形成的镜像组成双FBG。

一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置，其特征在于：FBG探针2固定在石英音叉5上，利用音叉反馈式原子力控制系统6控制石英音叉5移动。

FBG探针2正对高精度三维位移台4上面的金膜样品3。

光源1为光纤解调仪，光纤解调仪连接数据处理终端7。

FBG探针2通过氢氟酸腐蚀、拉锥或两者结合制备而成。

一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移检测方法，包括前面所说的装置及一下步骤：

步骤一：保持FBG探针2与金膜样品3在一定距离，打开光源1发射出的连续宽带激光经过光纤传输至FBG探针2，FBG探针2发出的光经过金膜样品3反射形成的镜像；

步骤二：控制FBG探针2相对于金膜样品3步进，每次步进的距离相同，收集每次步进下反射光谱的数据；

步骤三：通过对齐时间戳的方式同时得到光纤光栅纳米探针2与金膜样品3的距离信息与相对应的携带微位移信息的反射谱；将得到的反射谱信号送入光纤解调仪后，通过数据处理终端7对齐数据时间戳的方式可以同时得到金膜样品与基于音叉反馈微纳FBG探针之间的位移信息和FBG反射谱中阻带的波长位置变化信息，从而得到标定曲线；

步骤四：通过寻峰算法得到窄带波长移动的曲线，然后代入标定曲线得到FBG探针2相对于金膜样品3的距离信息。

FBG探针2及其镜像所得到的反射光谱携带位移信息与双探针反射光谱的不同，其半高全宽相比于双探针反射光谱窄了一个数量级。

FBG探针2与金膜样品3之间的间隙d

本发明与现有技术相比，本申请具有以下优点：

FBG探针和通过金膜样品反射形成的镜像探针取代了传统间隙PS-FBG结构中的两个均匀FBG探针，传统的Phase Shift FBG(PS-FBG)由两个均匀FBG组成，镜像FBG相当于替代2个传统光纤光栅中的一个FBG。

结合音叉反馈式原子力间距控制模块控制探针到金膜样品表面的距离，通过该相移区距离的改变，其相移量大小可控，结构简单，可以解决新的动态高速微位移光学设备的需求。

该传感装置的原理是基于将布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)制备成锥形探针，并结合音叉反馈式原子力间距控制模块控制探针到金膜样品表面的间隙，在微/纳米级的位移范围内该间隙长度的变化会使光纤布拉格光栅探针在其反射谱中打开一个极窄的透射窗口，形成了相移光纤布拉格光栅探针，该窄带透射窗口的半高全宽相比于普通均匀FBG探针的半高全宽小了一个数量级，通过改变间隙的长度以此来调整引入的相移大小，会使得该极窄的透射窗口的波长位置随着间隙的长度变化而变化，该微位移传感装置及其方法可以提升微/纳米级的位移探测的精度和灵敏度，这种高灵敏度和高精度使得该结构在光谱滤波、波长调谐、多参数传感等方面具有独特的优势和应用潜力，具有较高的灵敏度和分辨率。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。附图中：

图1是本发明一实施例的一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置的系统架构图；

图2是本发明一实施例的一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置的系统原理图。

图3是本发明一实施例的一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置的系统中传感模块的携带微位移信息的反射谱与传统微位移传感装置携带微位移信息反射谱的对比。

具体实施方式

实施例1：

一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置，其特征在于：由光源1发射出的连续宽带激光经过光纤传输至FBG探针2，FBG探针2及其在金膜样品3反射形成的镜像组成双FBG。

一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置，其特征在于：FBG探针2固定在石英音叉5上，利用音叉反馈式原子力控制系统6控制石英音叉5移动。

FBG探针2正对高精度三维位移台4上面的金膜样品3。

光源1为光纤解调仪，光纤解调仪连接数据处理终端7。

FBG探针2通过氢氟酸腐蚀、拉锥或两者结合制备而成。

一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移检测方法，包括前面所说的装置：

步骤一：保持FBG探针2与金膜样品3在一定距离，打开光源1发射出的连续宽带激光经过光纤传输至FBG探针2，FBG探针2发出的光经过金膜样品3反射形成的镜像；

步骤二：控制FBG探针2相对于金膜样品3步进，每次步进的距离相同，收集每次步进下反射光谱的数据；

步骤三：通过对齐时间戳的方式同时得到光纤光栅纳米探针2与金膜样品3的距离信息与相对应的携带微位移信息的反射谱；

步骤四：通过寻峰算法得到窄带波长移动的曲线，然后代入标定曲线得到FBG探针2相对于金膜样品3的距离信息。

FBG探针2及其镜像所得到的反射光谱携带位移信息与双探针反射光谱的不同，其半高全宽相比于双探针反射光谱窄了一个数量级。

FBG探针2与金膜样品3之间的间隙d

实施例2：微位移传感装置由三个模块组成：由微纳光纤布拉格光栅探针和金膜样品组成的微位移传感模块；由音叉反馈式原子力控制系统构成的反馈控制模块；由高速光纤解调仪构成的数据采集模块。该传感装置的原理是基于将布拉格光纤光栅制备成锥形探针，然后将FBG锥形探针通过光学紫外胶粘附到石英音叉上之后，即可由音叉式原子力间距控制反馈系统控制探针对于金膜样品的趋近与远离。在该传感装置中，利用音叉反馈式原子力控制系统驱动布拉格光纤光栅纳米探针结合石英音叉形成的原子力探针，完成对金膜样品3表面的趋近和远离，如图2所示，金膜样品与布拉格光纤光栅纳米探针之间的间隙d

本发明参照图1提出了一种基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置及方法，可以解决新的动态高速微位移光学设备的需求。如图1所示，基于音叉反馈微纳FBG探针的微位移传感装置包括光源1和数据处理终端7、传感模块包括2和3、反馈控制模块包括5和6。

首先，光源模块1用于发出激光，在发出激光的延伸方向上形成激光出射路径，在图1中示意性地用虚线箭头表示激光出射路径的走向，可以看出的是，自光源模块1发出激光后，激光先后经过多个部件并最终通过实线箭头(激光返回路径)到达光源1，光源1是光纤解调仪，光纤解调仪连接数据处理终端7。

进一步的，传感模块包括微纳FBG探针2和金膜样品3依次布置在激光路径y上。具体来说激光在激光路径y上依次经过微纳FBG探针2并最终到达金膜样品3后可以形成检测信号，该检测信号携带金膜样品3和原子力探针2之间的距离信息。具体的，在本实施例中，原子力探针包括微纳FBG探针2和音叉5，其中，光纤光栅纳米探针在径向上由外向内依次具有包层和纤芯，且音叉粘附于包层外。示例性的，音叉可以选用石英材质，并用光学紫外胶直接粘附在音叉上。优选地，在本实施例中，光纤光栅纳米探针2采用光纤布拉格光栅FBG(Fiber Bragg Grating)，且光纤光栅纳米探针2的尖端可以通过氢氟酸腐蚀的制备手段、通过拉锥的制备手段或者将二者结合制备而成。示例性的，当采用二者结合的制备手段时，可以将准备好的光纤两端固定，中间加热直熔融状态，然后两端拉伸直至拉断，形成直径渐变的锥区，再利用化学腐蚀在锥尖处形成纳米级尺度的针尖。

由于传统的Phase Shift FBG(PS-FBG)由两个均匀FBG组成。镜像FBG相当于替代前述2个传统光纤光栅中的一个FBG。由于金膜样品具有一定的反射率，经过均匀微纳FBG探针的透射光传输到金膜样品表面后的反射光发生干涉形成PS-FBG，所以镜像FBG就是经过均匀微纳FBG探针的透射光传输到金膜样品表面后的反射光所形成的。

在本实施例中，参照图1，反馈控制模块具体实施为音叉反馈式原子力间距控制装置6，该装置连接音叉5，音叉反馈式原子力间距控制装置6适于驱动FBG探针2在三维空间移动。一开始通过音叉反馈式原子力间距控制装置6将FBG探针2的位置对齐金膜样品的中心位置，在对齐的过程中通过侧向物镜观察FBG探针2的最终位置。最后，在图1所示的实施例中，通过音叉反馈式原子力间距控制装置6以相同的纳米步进距离匀速控制针尖与金膜样品之间的距离，每次以纳米距离步进完成后，通过光纤解调仪1记下反射光谱的数据；通过改变间隙的长度以此来调整引入的相移大小，会使得FBG反射谱中该极窄的透射窗口的波长位置随着间隙的长度变化而变化，从而实现微/纳米级的位移范围的检测，将得到的反射谱信号送入光纤解调仪后，通过数据处理终端7对齐数据时间戳的方式可以同时得到金膜样品与基于音叉反馈微纳FBG探针之间的位移信息和FBG反射谱中阻带(如图3所示)的波长位置变化信息，从而得到标定曲线。

在此基础上，数据处理终端7再通过寻峰算法得到窄带波长移动的曲线，然后代入标定曲线，从而得到光纤光栅纳米探针2与金膜样品3的距离信息。

如图2所示，给出了图1由微纳光纤布拉格光栅探针2和金膜样品3组成的微位移传感的原理示意图，它由微纳光纤布拉格光栅探针2和金膜样品3组成。两者之间的间隙宽度为d