光杠杆纳米微位移测量系统中的信号处理
    

   引 言

  位移测量在现代测量技术中十分常见,并且通过对位移的测量,可以间接检测应变,振动,加速度等多种物理量。随着工业技术的不断发展,现代精密加工技术已经进入纳米技术时代,位移量的测量达到纳米、亚纳米量级,因此对测量方法也提出了更高的要求。而相应的测试技术也在向非接触,小型化,集成化,数字化,智能化方向发展。

  现在能够实现纳米测量的方法主要包括以下几种: 电学测量技术、显微镜测量技术和光学测量技术。而光学测量方法有其独特的优势,例如X射线干涉法、外差激光干涉法、激光干涉法[3]等,都有很高的测量精度。Putman 等从理论上证明了光杠杆方法与干涉法具有同样的分辨率能达到 10~12m[1]。光杠杆法的优点在于结构简单,不需要参考光束,因而在空气中具有高灵敏度和抗空气扰动。

  本文提出一种基于光杠杆原理的光学测量微位移方法,同时介绍了一种基于该方法的微位移测量系统,并着重描述了系统的信号处理过程。该位移测量系统的理论分辨率为 4nm,而实验测得分辨率小于 10nm。实验结果表明,该系统灵敏度高,重复性好,结构简单,便于微型化构成 MEMS,并有较广的应用范围。

  1 测量原理及系统介绍

  1.1 光杠杆系统测量微位移的原理

  光杠杆测量位移是利用光的反射定律,对微小的角度或位移变化量进行放大,通过对放大位移的测量,间接测量出微小的位移变化以及变化方向[6]。

  该激光光杠杆放大微位移的原理如图1 所示。光学放大的部分由平面反光镜组A 和 A′以及正透镜组成。其中 A 镜固定,A′镜可动。A′的前端是个铰链,后端是自由端。被测物以点接触的方式触碰在A′背面。正透镜位于出射光束与光电探测器之间,光电探测器位于透镜后焦面。

  光源发出的光束从 A镜端边缘以角度α入射到A′的自由端(入射角 α<3°)。该光束在两平面镜间多次反射后由 A 的另一端出射(出射角为 β),照射到光电探测器上。初始位置时 A 和 A′互相平行,如图 1 中实线所示,这时出射光束与探测器光敏面垂直,且出射光点位于探测器光敏面中心。当被测物体有一个微小位移ΔL 后,动镜 A′自由端被推动(位移量为ΔL)。假设 A′绕铰链逆时针转动,偏转微小角度Δα,如图1中虚线所示,用式(1)表示:

  若反射次数 n、平面镜的长度L、两平面镜之间的距离D 以及入射角度 α 等各参数选取适当,K 值可以达到102以上。在激光的出射端加入一焦距为f 的正透镜,并使探测器的光敏面位于透镜的焦平面上。此时放大倍数K可写为

  系统中通过放置透镜,可以缩小光斑直径,提高测试系统的分辨率;并且增大位移量的放大倍数,增大了测试的动态范围。

  1.2 测量系统的组成

  测量系统由微小位移输出、光学放大测量和信号数据处理三部份组成。实验原理如图2所示。驱动装置我们选用了实验室自行研制的压电陶瓷(PZTBaTI03),PZT 通过一个直径 5mm 的半圆钢球与动镜 A′接触,作为被测物位移标准输出。采用He-Ne 激光器(632.8nm)作为测量光源。平行镜组的有效反射长度 3cm,两个镜面间距6mm,待测物与铰链距离D 是4cm。在平面镜 A 出射光线和 PSD 之间,放置一正透镜,PSD 位于透镜焦点处。输出位移信号由光电探测器 PSD 接收后,通过信号处理电路进行放大滤波,再由数据采集卡进行 A/D 转化送入计算机,然后根据PSD 输出的电压变化计算出实际的位移变化值。

  2 测量系统的信号处理

  2.1 PSD的测量原理

  光电位置敏感器 PSD(Position Sensitive Detector)由于其具有很高的灵敏度、良好的瞬态响应特性[2]、紧凑的结构以及简单的处理电路等优点,因此在光学精密测量中有着广泛的应用[4]。在实验中,我们采用的是浙大光仪厂生产的一维PSD,其光敏面长度为 8mm,光谱响应范围380~1100nm,峰值响应度0.5A/W,中心位置分辨率0.5μm,暗电流Ig=20nA。

  2.2 PSD 的信号检测和处理电路

  在PSD 的信号检测中,背景光和暗电流是主要的噪声来源。当背景光和暗电流影响较大时,一般的信号处理电路往往不能正常工作,给检测的结果带来很大的误差[5]。一般来说,当需要测量微米级以下的位移时,信号检测需要分辨出毫伏或者毫伏以下级的变化,如果没有消除背景光和暗电流的影响,有用的信号就很容易被噪声所淹没[8]。因此,在实际的微位移测量中,都要求通过各种方法来消除或减小背景光和暗电流对测量结果的影响。

  1) 关于背景光和暗电流的处理

  信号检测系统中,我们采用了光学和电学两种方式,同时对背景光和暗电流进行处理。在光学方面,采用在 PSD 的光敏面前放置了一片透过波长和光源波长匹配的干涉滤光片,以滤掉大部分背景光。在电学方面,我们通过改进信号处理电路,在前置放大级中加入反向调零系统,先熄灭信号光源,检测出背景光和暗电流的大小,然后在电路中加入反向电流调零来抵消背景光和暗电流的影响,再打开信号光源进行探测。这样,测得的信号变化量即为有用信号和背景信号之间的差值,有效地抑制了背景光和暗电流的干扰。

  2) 改进的信号处理电路

  一般的PSD 信号处理电路主要包括了前置放大和加减法运算电路两部分[12],而我们在实验中根据实验条件对处理电路进行了改进,如图3 所示。首先在前置放大级中加入的反偏电流调零系统,实现了差值测量。其次由于直流通道的零点漂移是以共模形式引入系统的,对差值运算影响小。因此,在电路设计时采用交流耦合的方式,信号放大部分全部在交流部分完成[7],所以我们在前置放大器的输出端加入了一级RC高通滤波网络,选取截至频率为f=636Hz。滤波后的电压信号通过运放LM224J 完成加减法运算,并通过A/D 卡送入计算机,得到相应的位移信号。为了能分辨出毫伏量级的电压变化,实验中我们采用了具有高分辨的ADlink PCI-9111HR 数据采集卡。

  3 测量结果与误差分析

  3.1 PZT 微位移输出特性的标定

  在位移测量前,我们采用了天津大学生产的JDC-2000 型电容测微仪对 PZT 微位移输出器的输出进行了标定。JDC-2000 型电容测微仪的分辨率优于5nm,在10μm 量程内,非线性误差<0.5%。实验时,我们利用电压驱动 PZT 产生微小的位移,得到PZT 驱动电压与电容测微仪输出电压的对应曲线,如图4 所示。对所测多组数据进行曲线拟合,结合电容测微仪在该段的分辨率为0.01μm/mV,得到压电陶瓷位移输出量 L 与驱动电压变化量 V 的关系,如图5 所示。

  3.2 光学式测量系统的理论分辨率

  PZT 微位移输出与驱动电压的关系,可由公式(7)得到:

  我们将测量原点设定在PSD 光敏面的中心,PSD 光敏面长度为 8mm,因此S 变化范围为±4mm。由式(7)可知,当h=0 或 f 时,放大倍数 K 取得最大值。式(7)中,f=180mm,D=40mm,n=20,k′=3.95nm/V。压电陶瓷驱动电压每变化1V,光斑在 PSD 光敏面上的微位移改变量 ΔS=711nm,而PSD 中心位置的测量精度为1.40mV/μm。因此,压电陶瓷1 伏特驱动电压产生的形变量是足以被系统所分辨的。由电容测微仪标定结果可知,电压变化1 伏时对应压电陶瓷形变量为3.95nm。所以,该系统理论分辨率应为3.95nm≈4nm。

  3.3 实验结果

  试验时,驱动压电陶瓷产生微位移,每变化3 伏特记录一次PSD 输出。采集多组测量数据后,再利用matlab 进行曲线拟合,得到系统所测位移与PZT 驱动电压的关系曲线,如图6 所示。位移变化量与PZT 驱动电压变化的线性对应关系为

  其中:ΔL 表示系统测得位移,ΔV 表示 PZT 驱动电压,k=3.981nm/V然而系统的实际分辨率与 PSD 的测量精度、信号处理电路及数据采集卡的性能密切相关。在实际测量中,PZT 驱动电压每变化 3V,系统的位移输出值有明显变化。因此,该系统的实际静态分辨率应小于 10nm。当使用三角波驱动 PZT 时,系统的动态响应输出波形如图7 所示。

  3.3 系统误差分析

  根据光杠杆放大的测量原理,在系统误差方面:由式(4)可得:

  对其求偏导得到系统误差为

其中:反射次数n,透镜的焦距f,PZT 接触点到支点距离D 都经过严格标定。可以看出,PSD 测量电路引入的误差 ΔS 成为系统误差主要来源,而信号处理电路误差又主要由PSD 的特性所决定。虽然PSD 输出的光点位置是投射到 PSD 光敏面上光斑的光学重心,但是信号光斑的形状和尺寸同样对PSD 的测试精度有着很大的影响,特别是在精密测量时,光斑的形状和尺寸也直接影响着重复定位的精度。实验证明,当光斑直径小于1mm 时,用贝赛尔公式统计计算,6 次定位测量的标准偏差为2.55μm,当光斑直径为2.5mm时,标准偏差约为4.7μm,当光斑直径增加到5.5mm 时,标准偏差高达13μm[9]。因此我们在利用透镜组对光束进行了整形,减小了光斑尺寸,并加入了小孔光栏,使光斑直径小于1mm,从而提高了重复定位精度。系统所选用的PSD 暗电流典型值为0.2nA,最大可达到20nA,在微位移检测中,若达到 PSD 极限分辨力,相应输出电流可能为nA 量级,此时暗电流的影响也比较明显[10]。而信号处理单元中的误差主要来自于电路中的 1/f 噪声、高频噪声,以及运放等器件所带来的误差[11]。另外,实验中使用的A/D 卡,受其本身分辨率和采样频率的限制,也会对测量系统带来一定的误差。在对本实验所用的PZT 进行标定后,根据实验结果,整个系统的测量误差可由式(11)给出:

  结束语

  在我们的研究中,提出了一种基于光杠杆原理的纳米级微位移的激光测量方法,该方法是对传统的光杠杆装置进行了改进,充分利用了光学放大的原理,实现对微小位移量的放大。选用 PSD 作为系统的主要探测器件,将光学放大与 PSD 本身的高分辨率特点相结合,并且在信号处理电路中通过简单的方式对噪声进行了有效抑制。在系统中,我们还对信号光源进行了整形,并且在接收端实施了相应的滤光措施,使实际测量中系统能够分辨出纳米级的位移变化。实验结果表明,该系统实时性强,灵敏度高,重复性好,结构简单,便于实现微型化。针对该系统,若能缩小光斑尺寸,提高有效反射次数,优化结构参数,改进探测器和信号处理电路,并且增加软件方式对信号进行处理,均能使系统的分辨率再得到显著提高。

  参考文献:

  [1] Putman C A J,DeGrooth B G ,Van Hulst N F,et al. A detailed analysis of the optical beam deflection techNIque for use inatomic force microscopy [J]. J.Appl.Phys,1992,72:6-12.

  [2] DeBakker Michiel,Verbeek Piet W. The PSD transferfunction[J]. IEEE Transon Electron Devices,2002,49(1):202-206.

  [3] Colin E,Titin-Schnaider C,Tabbara W. An interferometric coherence optimization method in radar polarimetry forhigh-resolution imagery[J]. Geoscience and Remote Sensing IEEE,2006,44(1):167-175.

  [4] Makynen A,Kostamovaara J. An application specific PSD implemented using standard CMOS technology[J]. ElectronicsCircuit and System.1998 IEEE International Conference,1998,1(10):7-10.

  [5] Narayanan C,Buckman A B,Busch-Vishniac I. Noise analysis for position-sensitive detectors[J]. Instrumentation andMeasurement IEEE,1997,46(10):1137-1144.

  [6] Eiji Higurashi,Renshi Sawada,Takahiro Ito. Monolithically integrated optical displacement sensor based on triangulation andoptical beam deflection[J]. Applied Optics,1999,38(9):1746-1751.

  [7] 张 华,王 文,陈子辰. 基于 PSD 的测量系统研究[D]. 杭州:浙江大学,2005.ZHANG Hua,WANG Wen,CHEN Zi-chen. The research of the measurement based on PSD[D]. Hangzhou:ZhejiangUniversity,2005.

  [8] 徐 晖,舒晓武,牟旭东. 基于 PSD 的电振动台特性检测系统研究[J]. 光学仪器,2006,28(1):80-84.XU Hui,SHU Xiao-wu,MOU Xu-dong. Research of the testing system of characteristics of electrical vibration table based onPSD[J]. Optical Instruments,2006,28(1):80-84.

  [9] 吕爱民,袁红星,贺安之. 位置指示光源对 PSD 定位精度影响的实验研究[J]. 激光技术,2000,24(3):192-195.Lü Ai-ming,YUAN Hong-xing,HE An-zhi. Experimental study of the effect to fligh source on position precision of PSD[J],Laser Technology,2000,24(3):192-195.

  [10] 宋 康,赵玉龙,蒋庄德. 基于 PSD 的微轮廓测量仪及其控制系统研究[J]. 仪器仪表学报,2002,23(3):217-224.SONG Kang,ZHAO Yu-long,JIANG Zhuang-de. The Research of 3D Micro-profilometer Based on PSD and Contro System[J].Chinese Journal of Scienfitic Instrumens,2002,23(3):217-224.

  [11] 王占强,徐伟弘,汪开源. 一维 PSD 信号调理电路及其应用[J]. 仪表技术与传感器,1997(12):25-28.WANG Zhan-qiang,XU Wei-hong,WANG Kai-yuan. One Dimension PSD Signal Processing Circuits and ItsApplications[J].Instrument Technique And Sensor,1997(12):25-28.

  [12] Ofir Bochobza-Degani,Dan J Seter,Eran Socher,et al. Design and noise consideration ofanaccelerometeremploying modulatedintegrative differential optical sensing [J]. Sensors and Actuators,2000,84:53-64

  作者简介:吴宇(1980-),男(汉族),四川成都人,博士研究生,现代光学仪器国家重点实验室,主要从事 MOEMS 传感器设计与信号检测。E-mail: wuyuzju@163.com

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    收录时间:2014年06月10日 09:08:44 来源:中国测控网 作者:匿名
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