[发明专利]微观作用力测量系统及其接触零点和表面性质的判别方法有效
| 申请号： | 202010750525.2 | 申请日： | 2020-07-30 |
| 公开（公告）号： | CN111879451B | 公开（公告）日： | 2021-10-15 |
| 发明（设计）人： | 刘芳芳;林芳慧;杨子涵;赵荣敏;夏豪杰;陈丽娟;李红莉 | 申请（专利权）人： | 合肥工业大学 |
| 主分类号： | G01L1/24 | 分类号： | G01L1/24 |
| 代理公司： | 安徽省合肥新安专利代理有限责任公司 34101 | 代理人： | 陆丽莉;何梅生 |
| 地址： | 230009 安*** | 国省代码： | 安徽;34 |
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| 摘要： | |||
| 搜索关键词： | 微观 作用力 测量 系统 及其 接触 零点 表面 性质 判别 方法 | ||
1.一种基于微观作用力测量系统的接触零点的判别方法，所述微观作用力测量系统，包括：传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和纳米级精度微位移驱动模块；
所述传感模块，包括：测头的机体支架(1)、超精密不锈钢管(2)、测量FBG传感器(3)、匹配光栅(4)；
所述测量FBG传感器(3)和匹配光栅(4)分别放到所述超精密不锈钢管(2)中，且并排悬挂在所述测头的机体支架(1)上；所述测量FBG传感器(3)的光纤端面长于所述匹配光栅(4)；
所述光学感测模块，包括：ASE宽带光源(5)、第一耦合器(6)；
所述ASE宽带光源(5)连接所述第一耦合器(6)的输入端，所述第一耦合器(6)的输出端连接至所述测量FBG传感器(3)；
所述解调光路模块，包括：第二耦合器(7)、高灵敏度光电探测器(8)；
所述第二耦合器(7)的输入端连接至所述第一耦合器(6)的反射端，所述第二耦合器(7)的输出端连接至所述匹配光栅(4)；所述第二耦合器(7)的反射端设置有所述高灵敏度光电探测器(8)；
所述高灵敏度光电探测器(8)连接至所述信号调理模块；
所述上位机模块，包括：数据采集卡(10)、计算机(11)；
所述信号调理模块通过所述数据采集卡(10)连接至计算机(11)；
所述纳米级精度微位移驱动模块，包括：数字电压控制器(12)、三维微动平台(13)、一维纳米微动平台(14)；
所述数字电压控制器(12)的输入端连接至所述计算机(11)，所述数字电压控制器(12)的输出端连接至所述一维纳米微动平台(14)；
所述三维微动平台(13)上安装有所述一维纳米微动平台(14)；
所述一维纳米微动平台(14)上设置有相应的被测表面；
由所述ASE宽带光源(5)发出的光经过所述第一耦合器(6)后进入所述测量FBG传感器(3)中，并经过所述测量FBG传感器(3)反射后从所述第二耦合器(7)进入所述匹配光栅(4)，最后由所述匹配光栅(4)反射的光经过所述第二耦合器(7)后进入所述高灵敏度光电探测器(8)并输出光功率电压信号，且所述光功率电压信号与所述测量FBG传感器(3)和匹配光栅(4)的反射光谱的重合部分面积成比例；
所述信号调理模块对光功率电压信号进行预处理后通过所述数据采集卡(10)发送给所述计算机(11)；
所述计算机(11)对接收到的光功率电压信号求取均值，并利用所述均值进行多项式拟合，从而得到全量程电压-距离曲线；将所述全量程电压-距离曲线分为三个区域：非接触无作用力区域Ⅰ、非接触界面微观相互作用力区域Ⅱ、接触形变区域Ⅲ；再根据从所述数据采集卡(10)接收到的预处理后的光功率电压信号，建立光功率电压均值-距离曲线、光功率电压标准差-距离曲线，最后根据所述光功率电压均值-距离曲线、光功率电压标准差-距离曲线的变化趋势判别所述测量FBG传感器(3)的探针微球与被测表面的接触零点；
所述计算机(11)对接收到的光功率电压信号进行相关处理，从而得到不同被测表面及不同特征尺寸探针微球的力-分离位移曲线，并将所述力-分离位移曲线进行归一化处理，得到归一化后的曲线，最后根据所述归一化后的曲线的交点位置判别被测表面性质；其特征是，判别方法是按如下步骤进行：
步骤1、设置所述一维纳米微动平台(14)的步进为Δ
步骤2、调整所述测量FBG传感器(3)端部的探针微球处于被测表面的非接触无作用力区域Ⅰ，所述一维纳米微动平台(14)以Δ
步骤3、所述计算机(11)求取每一步光功率电压信号的均值，并进行多项式拟合，得到全量程电压-距离曲线；
步骤4、所述计算机(11)求取每一步光功率电压信号的均值和标准差，从而得到光功率电压标准差-距离曲线，光功率电压均值-距离曲线；
步骤5、每改变一次所述步进Δ
2.一种微观作用力测量系统的表面性质的判别方法，所述微观作用力测量系统，包括：传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和纳米级精度微位移驱动模块；
所述传感模块，包括：测头的机体支架(1)、超精密不锈钢管(2)、测量FBG传感器(3)、匹配光栅(4)；
所述测量FBG传感器(3)和匹配光栅(4)分别放到所述超精密不锈钢管(2)中，且并排悬挂在所述测头的机体支架(1)上；所述测量FBG传感器(3)的光纤端面长于所述匹配光栅(4)；
所述光学感测模块，包括：ASE宽带光源(5)、第一耦合器(6)；
所述ASE宽带光源(5)连接所述第一耦合器(6)的输入端，所述第一耦合器(6)的输出端连接至所述测量FBG传感器(3)；
所述解调光路模块，包括：第二耦合器(7)、高灵敏度光电探测器(8)；
所述第二耦合器(7)的输入端连接至所述第一耦合器(6)的反射端，所述第二耦合器(7)的输出端连接至所述匹配光栅(4)；所述第二耦合器(7)的反射端设置有所述高灵敏度光电探测器(8)；
所述高灵敏度光电探测器(8)连接至所述信号调理模块；
所述上位机模块，包括：数据采集卡(10)、计算机(11)；
所述信号调理模块通过所述数据采集卡(10)连接至计算机(11)；
所述纳米级精度微位移驱动模块，包括：数字电压控制器(12)、三维微动平台(13)、一维纳米微动平台(14)；
所述数字电压控制器(12)的输入端连接至所述计算机(11)，所述数字电压控制器(12)的输出端连接至所述一维纳米微动平台(14)；
所述三维微动平台(13)上安装有所述一维纳米微动平台(14)；
所述一维纳米微动平台(14)上设置有相应的被测表面；
由所述ASE宽带光源(5)发出的光经过所述第一耦合器(6)后进入所述测量FBG传感器(3)中，并经过所述测量FBG传感器(3)反射后从所述第二耦合器(7)进入所述匹配光栅(4)，最后由所述匹配光栅(4)反射的光经过所述第二耦合器(7)后进入所述高灵敏度光电探测器(8)并输出光功率电压信号，且所述光功率电压信号与所述测量FBG传感器(3)和匹配光栅(4)的反射光谱的重合部分面积成比例；
所述信号调理模块对光功率电压信号进行预处理后通过所述数据采集卡(10)发送给所述计算机(11)；
所述计算机(11)对接收到的光功率电压信号求取均值，并利用所述均值进行多项式拟合，从而得到全量程电压-距离曲线；将所述全量程电压-距离曲线分为三个区域：非接触无作用力区域Ⅰ、非接触界面微观相互作用力区域Ⅱ、接触形变区域Ⅲ；再根据从所述数据采集卡(10)接收到的预处理后的光功率电压信号，建立光功率电压均值-距离曲线、光功率电压标准差-距离曲线，最后根据所述光功率电压均值-距离曲线、光功率电压标准差-距离曲线的变化趋势判别所述测量FBG传感器(3)的探针微球与被测表面的接触零点；
所述计算机(11)对接收到的光功率电压信号进行相关处理，从而得到不同被测表面及不同特征尺寸探针微球的力-分离位移曲线，并将所述力-分离位移曲线进行归一化处理，得到归一化后的曲线，最后根据所述归一化后的曲线的交点位置判别被测表面性质；其特征是，所述判别方法是按如下步骤进行：
步骤a、设置不同被测表面和不同特征尺寸的探针微球；
步骤b、选取一种被测表面；
步骤c、选取一种球径的探针微球后，调整所述测量FBG传感器(3)端部的探针微球到非接触界面微观相互作用力区域Ⅱ，所述一维纳米微动平台(14)以Δ
步骤d、重复步骤b，步骤c，从而得到不同被测表面及不同特征尺寸探针微球的力-分离位移曲线并进行归一化处理，得到归一化后的曲线，根据所述归一化后的曲线交点位置判别被测表面性质。
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