合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室， 安徽合肥230009
微位移工作台是实现高精度定位的关键部件，传统的工作台自由度少且分辨力不高，不能满足应用需求，因此提出一种六自由度高精度微位移工作台结构方案并验证了其性能。在整体结构上采用“串并联混合驱动”的方式和中空结构，将六个自由度的运动合理地分布在平动层，转动层和支撑层三层结构中，并设计开发了工作台的运动控制系统以及一套可搭配使用的运动控制软件。实验结果表明，X，Y，Z轴线位移分别优于20，20和37 μm，角位移行程分别优于39″，33″和27″；线位移分辨力均优于0.7 nm，角位移分辨力均优于0.1″。所提出的六自由度微位移工作台相比于传统工作台具有自由度多、极高分辨力等优点，有望在超精密加工，微电子制造等领域中获得广泛的应用。
微动工作台 亚纳米分辨力 六自由度 运动控制系统 micro-driving stage resolution with sub-nano 6-DOF motion control system 光学 精密工程
2023, 31(13): 1933
1 安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽合肥23060
2 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽合肥30009
原子力显微镜处于轻敲模式工作于大气环境时，由于悬臂和被测试样间的距离很小，悬臂的振动会产生相应的压膜阻尼，影响悬臂的动态特性。基于欧拉-伯努利梁方程对悬臂梁进行建模，结合雷诺方程建立悬臂阻尼作用的分析模型，研究悬臂压膜阻尼效应的主要影响因素，分析不同谐振模态下压膜阻尼效应对悬臂阻尼系数、动态原子力显微镜的测量特性的影响，并基于多模态原子力显微镜进行了实验和测试。理论及实验结果表明，空气压膜阻尼对于基础谐振模态原子力显微镜的测量特性有一定的影响，在悬臂试样20~2 μm逼近过程中，悬臂品质因数明显降低，两种悬臂振幅分别减少了7.8%和20.6%，悬臂宽度增大则受到的压膜阻尼影响也增加；相同实验条件下，二阶谐振模态下的悬臂品质因数和振幅均没有明显变化。在基础谐振模态下压膜阻尼效应会引起微悬臂品质因数的降低，从而导致原子力显微镜测量分辨率的减小和测量速度的降低；多模态原子力显微镜的高阶谐振模态可显著降低空气压膜阻尼效应对悬臂品质因数及测量特性的影响。
原子力显微镜 压膜阻尼 品质因数 高阶谐振 atomic force microscopy squeeze film damping quality factor higher-order resonant 光学 精密工程
2022, 30(19): 2362
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
研制了一套以数字信号处理 (DSP)芯片为控制器的一维纳米定位控制系统。该系统主要由驱动平台、微型迈克尔逊干涉仪、DSP控制器等三个模块组成。其中驱动平台模块由线性滑轨、超声波马达HR4和驱动器AB2组成。HR4配合其专用驱动器AB2利用摩擦力来驱动侧面贴有陶瓷片的线性滑轨, 微型迈克尔逊干涉仪用来感测滑轨的位移。基于BP神经网络的PID控制算法和迈克尔逊干涉仪的信号处理运算全部由DSP控制器完成。实验结果表明, 该定位系统行程为20 mm, 定位精度优于10 nm, 重复定位标准偏差为7 nm。该定位系统具有系统架构简单, 定位精度高等优点, 可用于大行程高精度定位应用场合。
定位控制系统 DSP芯片 迈克尔逊干涉仪 BP神经网络 positioning control system DSP chip Michelson interferometer BP neural network 红外与激光工程
2018, 47(10): 1017005
1 School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2 School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009
2 合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥 230009
基于迈克尔逊干涉原理和激光自准直原理，采用共光路布局，研制了能对运动工作台同时进行一维位移和二维角度测量的三自由度激光测量系统。在位移测量中，采用光程差放大技术，并结合偏振干涉技术和信号差分处理，得到高质量的位移输出信号和高分辨力的位移测量结果。在角度测量中，运动工作台的偏摆和俯仰运动会引起固定在工作台上的反射镜位置变化。入射光被反射镜反射，并被四象限探测器探测，根据四象限探测器上的光斑位置变化，获得偏摆角和俯仰角的变化值。对研制的系统进行稳定性和分辨力测试，同时与英国雷尼绍XL-80激光干涉仪进行比对实验。实验结果表明：测量系统的位移分辨力为0.8 nm，角度分辨力为0.2″；在50 mm的测量范围内，与雷尼绍XL-80激光干涉仪测量值相比，系统的位移最大偏差小于100 nm，偏摆角最大偏差为0.5″，俯仰角最大偏差为0.4″。
共光路 激光 偏振干涉 自准直 同时测量 common optical path laser polarization interference auto-collimation simultaneous measurement
1 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
2 北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心 光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192
研究并实现了一种基于256像元线阵InGaAs扫描的光纤布拉格光栅传感解调系统。针对线阵InGaAs探测器，分析了光纤光栅反射谱中心波长定位原理，可实现多个FBG光谱的同时解调，单通道解调传感器数量取决于FBG的带宽和中心波长漂移范围。对256个像素点的光谱数据，通过设置的阈值判断反射谱的个数，分别对每一个谱峰进行拟合，基于高斯指数曲线模型实现了寻峰算法，获得了中心波长。搭建FBG解调系统采集光谱数据，寻峰算法的稳定性达到±0.5 pm。该解调方法无机械移动部件，实现了多光纤光栅波长寻峰的并行快速响应，波长解调范围为1 525～1 570 nm，为多光纤光栅传感提供了高速解调方案。
光纤布拉格光栅解调 InGaAs探测器 256像元 中心波长检测 高斯曲线 fiber Bragg grating demodulation InGaAs detector 256 pixels central wavelength measurement Gaussian curve 红外与激光工程
2016, 45(1): 0122004
