CN111879450B - 微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微米尺度下的实现界面微观相互作用力机理研究的测量系统及其测量方法，该系统包括传感模块、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，该系统能实现对微米尺度内界面微观相互作用力的测量，从而获得纳米级灵敏度、分辨率、较大的线性测量范围以及较好的稳定性；并且通过该测量系统，实现了对微米尺度下界面微观相互作用力的测量研究，获得了微米尺度下微球头的力‑位移曲线，揭示了微米尺度下界面微观相互作用力的相关作用机理和规律，从而为提高微纳探针的触发和扫描精度提供了理论依据和技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及微纳测量和界面微观相互作用力，更具体地说是一种基于光纤布拉格光栅微纳传感测量的界面微观相互作用力测量系统及其测量方法。
背景技术
微纳米超精密检测技术是微器件加工及装配的重要保障。三坐标测量机常常用于精密测量一些微器件的三维尺寸，为测量各种微小器件，研制了各种微探针和各种传感原理的纳米级精度的测量系统。然而当探针微球直径达到微米甚至纳米量级时，探针尖端与被测表面间的界面微观相互作用力的量级将比重力大得多，占据测力主导地位，不可忽视。这些力包含了毛细作用力、范德华力、静电力等。这些界面微观相互作用力通常会将探针产生吸引力，对探针的探测精度和可靠性的影响巨大，造成微探针系统的误触发、不稳定触发、探头的突跳陷入、预行程变化量的波动、扫描精度下降、重复性下降等问题。从而需对各类微纳探针的界面微观相互作用力进行深入分析研究，建立微探针系统界面微观相互作用力的理论模型和综合微力评定模型，以提高微纳探针的触发和扫描精度。
目前，界面微观相互作用力的研究主要围绕原子力显微镜(AFM)展开，然而，原子力显微镜的探针针尖的曲率半径尺寸多在数纳米至几十纳米，界面微观相互作用力的大小则在nN至pN量级，作用区域在几十纳米内，仅能说明纳米量级尺度下探针微球的在界面微观相互作用力的构成及机理，且大多数利用原子力显微镜的测力实验仅在单一影响因子下进行，不具有普遍适用性，且缺少微米级微探针系统对界面微观相互作用力的测量。
对于微米尺度下的探针，其界面微观相互作用力的量级、作用区域、力学构成、机理规律等方面，都与纳米尺度下探针存在较大差异。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统及其测量方法，以期能实现对微米尺度内界面微观相互作用力的测量，从而获得纳米级灵敏度、分辨率、较大的线性测量范围以及较好的稳定性。
本发明为解决技术问题采用如下的技术方案：
本发明一种微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统的特点包括：传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和微位移模块；
所述传感模块，包括：测头的机体支架、超精密不锈钢管、测量FBG传感器、匹配光栅；
所述测量FBG传感器和匹配光栅分别放到所述超精密不锈钢管中，且并排悬挂在所述测头的机体支架上；所述测量FBG传感器的光纤端面长于所述匹配光栅；
所述光学感测模块，包括：ASE宽带光源、第一耦合器；
所述ASE宽带光源连接所述第一耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端连接至所述测量FBG传感器；
所述解调光路模块，包括：第二耦合器、高灵敏度光电探测器；
所述第二耦合器的输入端连接至所述第一耦合器的反射端，所述第二耦合器的输出端连接至所述匹配光栅；所述第二耦合器的反射端设置有所述高灵敏度光电探测器；
所述高灵敏度光电探测器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、计算机；
所述信号调理模块通过所述数据采集卡连接至计算机；
所述微位移模块，包括：数字电压控制器、三维微动平台、一维纳米微动平台；
所述数字电压控制器的输入端连接至所述计算机，所述数字电压控制器的输出端连接至所述一维纳米微动平台；
所述三维微动平台上安装有所述一维纳米微动平台；
所述一维纳米微动平台上设置有相应的被测表面；
由所述ASE宽带光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述测量FBG传感器中，并经过所述测量FBG传感器反射后从所述第二耦合器进入所述匹配光栅，最后由所述匹配光栅反射的光经过所述第二耦合器后进入所述高灵敏度光电探测器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传感器和匹配光栅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发送给所述计算机；
所述计算机根据预处理后的光功率电压信号，建立光功率电压信号与界面微观相互作用力函数传递模型，从而得出界面微观相互作用力及力-分离位移曲线。
本发明所述的界面微观相互作用力测量系统的特点也在于，所述光功率电压信号与界面微观相互作用力函数传递模型如式(1)所示：
式(1)中：P为高灵敏度光电探测器接收的光功率电压信号；α为光通过耦合器的光能利用率；RS为测量FBG传感器的峰值反射率；RM为匹配光栅的峰值反射率；ΔλS为测量FBG传感器的光谱半峰全宽FWHM或称为3db带宽；P0为ASE宽带光源(5)进入系统的总的光功率；λ1为测量FBG传感器和匹配光栅在没有任何物理量的作用下固有的布拉格波长差；λS为测量FBG传感器的布拉格波长；Pe为光纤的弹光系数；E是光栅的杨氏模量；A是探针微球尖端的投影面积；F是界面微观相互作用力。
本发明一种利用所述的微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统的测量方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、预热所述ASE宽带光源，设置不同的界面微观相互作用力影响因子；调整所述测量FBG传感器端部的探针微球并对准相应的被测表面；
步骤2、所述测量FBG传感器固定不动，调整所述三维微动平台进给量为微米级，所述三维微动平台按照所述进给量将所述被测表面推进至所述测量FBG传感器，从而使测量FBG传感器及被测表面之间的相对距离进入界面微观相互作用力的作用区域；
步骤3、所述计算机控制所述数字电压控制器输出压电信号，用于控制所述一维纳米微动平台以纳米量级进行位移；同时，所述数据采集卡采集移动过程中的光功率电压信号并在所述计算机内通过函数传递模型得到对应的界面微观相互作用力测力信号；
步骤4、所述计算机持续控制所述一维纳米微动平台进行位移，并识别对应的界面微观相互作用力的测力信号，从而确定测量FBG传感器与被测表面的接触零点，即确定界面微观相互作用力的作用区域，并建立力-分离位移曲线。
本发明所述的测量方法的特点也在于，所设置不同的界面微观相互作用力影响因子包括：不同特征尺寸的探针微球、不同探针微球与被测表面的相对距离、不同测量介质、不同材料的被测表面以及不同粗糙度的被测表面；
所述不同特征尺寸的探针微球，是采用光纤融合方法制成，所述探针微球与所述测量FBG传感器端部一体成型，所述探针微球的直径为微米级；
所述不同测量介质是设置有液体测量介质或气体测量介质；
所述不同材料的被测表面是设置有金属被测表面或非金属测量表面。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明中探针微球的特征尺寸为微米量级，在该尺度下对界面微观相互作用力进行测量，相比于纳米级探针针尖，界面微观相互作用力作用量级、机理、区域等均有所差别。其差别体现在纳米尺度下界面微观相互作用力的量级为nN或pN，而在微米尺度下大多在μN量级；在纳米尺度下界面微观相互作用力的作用范围在几十纳米内，而在微米尺度下本测量系统可观测力作用范围可达几百纳米；在纳米尺度下范德华力为界面微观相互作用力的主要贡献力，而微米尺度下范德华力贡献较小，甚至可忽略。从而本发明能够揭示微米尺度下的界面微观相互作用力作用机理；
2、本发明中设计了微米尺度探针微球下的界面微观相互作用力的测量方法，设置了探针微球的特征尺寸、探针微球与被测表面之间的相对距离、测量介质、被测表面的材料以及被测表面的粗糙度等影响因子。与已有方法相比更具有普适性，能够更简明透彻地说明界面微观相互作用力作用机理，并建立相关微米尺度下的力-分离位移曲线；
3、本发明中设计了光纤布拉格光栅作为敏感元件的高分辨率的界面微观相互作用力测量系统；同时，采用了改进的高性能解调结构系统，解调界面微观相互作用力引起的测量FBG传感器的布拉格波长漂移，可实现高灵敏度、高分辨率的微观力学测量。
4、本发明中设置了匹配光栅解调测量FBG传感器。测量FBG传感器及匹配光栅分别放到超精密不锈钢管中，且并排悬挂在测头的机体支架上，配合后端高精度信号处理系统，该设计在大大提升FBG传感器刚度的同时，能显著抵抗气流、振动、光强波动等因素导致的各类共模干扰信号的影响；另外，测量FBG传感器和匹配光栅近似处于同一温度场，也极大地削弱了温度干扰引入的误差。从而提高了测量系统的稳定性、提高了测量精度，且成本较低。
5、本发明中建立了界面微观相互作用力与高功率光电探测器光功率电压信号的函数传递模型，通过测量光功率电压信号，即可实现对界面微观相互作用力的精确测量。通过该方法能够较简单直接得到界面微观相互作用力。
附图说明
图1为本发明测量系统结构示意图；
图2a为不同特征尺度探针微球的测试结果图；
图2b为不同特征尺度探针微球的归一化测试结果图；
图3为在不同材质的被测表面条件下的测试结果图；
图4位在不同测量介质条件下的测试结果图；
图5为在不同粗糙度的被测表面条件下的测试结果图；
图中标号：1测头的机体支架，2超精密不锈钢管，3测量FBG传感器，4匹配光栅，5ASE宽带光源，6第一耦合器，7第二耦合器，8高灵敏度光电探测器，9信号处理电路，10数据采集卡，11计算机，12数字电压控制器，13三维微动平台，14一维纳米微动平台。
具体实施方式
本实施例中，为研究微米尺度下的探针微球与微器件表面间的界面微观相互作用力，研究不同影响因子对力的影响，从而建立界面微观相互作用力与分离距离之间的曲线模型，提出了一种用于测量微米尺度探针微球下的界面微观相互作用力的测量系统，是基于光纤布拉格光栅微纳传感结构设计，可以创建误差补偿机制，修正优化微纳测量系统，为减少测量系统的误触发和跳突陷入现象、提高测量精度、减小测力、提高测头系统的可靠性起到关键性的作用，为指导微纳探针及仪器系统的设计、为提高微纳探针的触发和扫描精度提供高精度的理论依据与技术保障。具体的说，如图1所示，该测量系统包括：传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和微位移模块。
该传感模块，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；测量FBG传感器3和匹配光栅4分别放到超精密不锈钢管2中，且并排悬挂在测头的机体支架1上；测量FBG传感器3的光纤端面长于匹配光栅4。本实施例中，测量FBG传感器3及匹配光栅4均为单模FBG，其布拉格波长为1550nm，3dB带宽小于或接近0.1nm，光栅区域长度为10nm。具体实施中，测量FBG传感器3与匹配光栅4均置于测头机体支架内结构中，光纤端部引出。这一形式使测量FBG传感器3及匹配光栅4可近似视为置于同一温度场，避免了温度变化带来的测量误差。
该光学感测模块，包括：ASE宽带光源5、第一耦合器6；ASE宽带光源5连接第一耦合器6的输入端，第一耦合器6的输出端连接至测量FBG传感器3。本实施例中，ASE宽带光源5的工作波长为1525-1570nm，输出功率在mW级。
该解调光路模块，包括：第二耦合器7、高灵敏度光电探测器8；第二耦合器7的输入端连接至第一耦合器6的反射端，第二耦合器7的输出端连接至匹配光栅4；第二耦合器7的反射端设置有高灵敏度光电探测器8。本实施例中，第一耦合器6及第二耦合器7均为1×2型3dB耦合器，其工作波长为1550nm，插入损耗小于3.6dB，波长范围为±40nm。
高灵敏度光电探测器8连接至信号调理模块。
该上位机模块，包括：数据采集卡10、计算机11；信号调理模块通过数据采集卡10连接至计算机11。
该微位移模块，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；
数字电压控制器12的输入端连接至计算机11，数字电压控制器12的输出端连接至一维纳米微动平台14；三维微动平台13上安装一维纳米微动平台14；一维纳米微动平台14上设置相应的被测表面。本实施例中，一维纳米微动平台14的闭环行程为2μm，分辨率为0.03nm。
由ASE宽带光源5发出的光经过第一耦合器6后进入测量FBG传感器3中，并经过测量FBG传感器3反射后从第二耦合器7进入匹配光栅4，最后由匹配光栅4反射的光经过第二耦合器7后进入高灵敏度光电探测器8并输出光功率电压信号，且光功率电压信号与测量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；
信号调理模块对光功率电压信号进行预处理后通过数据采集卡10发送给计算机11；本实施例中，信号调理模块主要是将高灵敏度光电探测器输出的光功率电压信号进行消除偏置、放大、调制解调、滤波等预处理。
计算机11根据预处理后的光功率电压信号，建立光功率电压信号与界面微观相互作用力函数传递模型，从而得出界面微观相互作用力及力-分离位移曲线。
综上所述，该测量系统基于光纤布拉格光栅敏感元件，设计具有温度自补偿的解调结构和高分辨率信号解调系统，用于微米量级特征尺寸下的界面微观相互作用力的测量，该测量系统简单可靠，可实现纳米级分辨率、灵敏度且稳定性能良好。
本实施例中，一种微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统的测量方法按如下步骤进行：
步骤1、预热ASE宽带光源5，设置不同的界面微观相互作用力影响因子；调整测量FBG传感器3端部的探针微球并对准相应的被测表面；
步骤2、测量FBG传感器3固定不动，调整三维微动平台13进给量为微米级，三维微动平台13按照进给量将被测表面推进至测量FBG传感器3，从而使测量FBG传感器3及被测表面之间的相对距离进入界面微观相互作用力的作用区域；
步骤3、计算机11控制数字电压控制器12输出压电信号，该压电信号用于控制一维纳米微动平台14以纳米量级进行位移；同时，数据采集卡10采集移动过程中的光功率电压信号并在计算机11内通过函数传递模型得到对应的界面微观相互作用力测力信号；
步骤4、计算机11持续控制一维纳米微动平台14进行位移，并识别对应的界面微观相互作用力的测力信号，从而确定测量FBG传感器3与被测表面的接触零点，即确定界面微观相互作用力的作用区域，并建立力-分离位移曲线。
本实施例中建立了一种光功率电压信号与界面微观相互作用力函数传递模型：
界面微观相互作用力及环境温度影响测量FBG传感器3和匹配光栅4的布拉格波长。PS和PM分别为测量FBG传感器3和匹配光栅4的光功率，λS和λM是它们在标准温度下未施加力的布拉格波长。当环境温度信号升高时，两个FBG的布拉格中心波长信号λS和λM将以相同的波长距离移动，此时仅界面微观相互作用力影响测量FBG传感器3的波长变化。从而，测量FBG传感器3与匹配光栅4的反射光谱的重合部分面积只与界面微观相互作用力F有关。高灵敏度光电探测器8光功率电压信号P与重合部分面积成正比，从而本发明建立了光功率电压信号P与界面微观相互作用力F的函数传递模型。
光纤布拉格光栅的反射光谱可近似视为是高斯分布的，所以其反射光谱Ri(λ)可由式(1)表示：
式(1)中：Ri为FBG的峰值反射率；λi为FBG的布拉格波长；Δλi为光谱的半峰全宽(FWHM)或称为3db带宽.
因为ASE宽带光源5具有平滑的光谱轮廓，并且其带宽远大于FBG的带宽，所以该光源的入射光被认为在FBG反射光谱宽度内是恒定的，ASE宽带光源5在FBG中心波长处的入射光强度I0可以表示为：
式(2)中：P0为ASE宽带光源进入系统的总光功率；Δλ0为ASE宽带光源的半峰全宽。
将ASE宽带光源5发出的光直接入射到测量FBG传感器3中，则测量FBG传感器3的反射光光强为：I0Ri(λ)。本发明采用反射式匹配光栅解调结构要经过两个耦合器，会有部分的光能损耗。本发明中高灵敏度光电探测器接收到的光功率电压信号为测量FBG传感器3和匹配光栅4的反射波谱的重合部分。从而，高灵敏度光电探测器接收到的光功率电压信号P为αI0RS(λ)RM(λ)dλ在频域上的积分，如式(3)所示：
结合前面的等式，式(3)化简后可得：
式(4)中：α为光通过耦合器的光能利用率。
测量FBG传感器3的布拉格波长λS随测量发生变化，匹配光栅4的布拉格波长λM相对稳定的，λS-λM是测量FBG传感器3相对于匹配光栅4的波长漂移。从而，式(4)实现了波长对光功率电压信号的转换，根据光功率电压信号的值就可知道波长的漂移，即完成了波长的解调。采用的测量FBG传感器3和匹配光栅4的参数基本上是相同或极为接近的，所以式(4)中ΔλS＝ΔλM。
在本发明中，为建立光功率电压信号与界面微观相互作用力的函数传递模型，根据胡克定律：σ＝Eε，可以得到本发明中界面微观相互作用力与高灵敏度光电探测器8接收光功率电压信号的函数传递模型：
式(5)中：P为高灵敏度光电探测器8接收的光功率电压信号；λ1为测量FBG传感器3和匹配光栅4在没有任何物理量的作用下固有的布拉格波长差；Pe为光纤的弹光系数；E是光栅的杨氏模量；A是探针微球尖端的投影面积；F是界面微观相互作用力。
本实施例中设置了不同界面微观相互作用力影响因子，以揭示微米尺度下界面微观相互作用力的作用机理：
所设置不同的界面微观相互作用力影响因子包括：不同特征尺寸的探针微球、不同探针微球与被测表面的相对距离、不同测量介质、不同材料的被测表面以及不同粗糙度的被测表面。
对微米尺度探针微球下的界面微观相互作用力的测量，改变上述影响因子，并结合数据处理、曲线拟合、公式建模，分析界面微观相互作用力的微力构成及物理化学机理，具有一定的普遍适用性。
影响因子1：不同特征尺寸的探针微球。其采用光纤融合方法制成，探针微球与测量FBG传感器3端部一体成型，探针微球的直径为微米级；在本实施例中，探针微球直径大小分别为116μm、206μm。
图2a为两种不同特征尺寸的探针微球，被测表面为镜面的力-分离位移曲线。结合图2a中两条在不同特征尺寸下得到的力-分离位移曲线得到：微米尺度下的界面微观相互作用力对特征尺寸较大的探针有明显较大的影响，大尺寸探针的力-分离位移曲线均位于小尺寸探针之上，且大尺寸探针最大测力约为430μN，而小尺寸探针最大测力约为250μN；并且对特征尺寸较大的探针的界面微观相互作用力作用区域稍长，为140-160nm，而较小探针的力作用区域为120-140nm。
影响因子2：探针微球与被测表面的相对距离。本实施例中为提供探针微球与被测表面间的精确间距，设置一个三维微动平台13配合一维纳米微动平台14去控制被测表面位移。
本实施例中归一化处理为测力/探针微球直径(F/Ri)，该处理弱化了探针微球球径对界面微观相互作用力的影响，可说明探针微球与被测表面间相对距离对界面微观相互作用力的影响。图2b为两种不同特征尺寸的探针球头，被测表面为镜面的归一化处理后的力-分离位移曲线。结合图2b归一化处理后的结果表明：两条曲线在归一化处理后十分接近，可视为忽略探针微球特征尺寸影响，且随着探针微球与被测表面相对距离缩短，界面微观相互作用力增大。
影响因子3：不同材料的被测表面。本实施例中设置了金属被测表面或非金属测量表面，其中金属表面材质为铝，非金属表面材质为玻璃、塑料。
被测表面的材质也是影响界面微观相互作用力的主要因素，被测表面材质的不同，其表面带电性质、亲水性质等均有差别。图3为直径206μm的探针微球，被测表面分别为镜面、塑料面、铝面的力-分离位移曲线。镜面、塑料面同为非金属面，为绝缘体，而铝面为导体。结合图中测试结果得到：被测表面为镜面和塑料面的测试结果近似，而铝面的力-分离位移曲线位于前两者之上；镜面、塑料面最大测力约为430μN，而金属面最大测力约为460μN；再者，非金属面的界面微观相互作用力可观测作用起始距离为130-140nm，金属面的可观测作用起始距离可达160nm。可考虑为界面微观相互作用力中静电力分量有所差别，其实质为金属表面所带自由电荷较多，探针微球与被测表面间电势差更大，静电力分量越大。
影响因子4：不同测量介质。本实施例中设置了设置有液体测量介质或气体测量介质，其中液体测量介质为水，气体测量介质为空气。
图4为采用直径206μm的探针微球、被测表面为镜面在空气和水中的力-分离位移全曲线对比数据图。图中两组曲线在50nm处有一交点，当分离距离小于50nm时，空气中的测力结果大于水；当分离距离大于50nm时，水中的测力结果大于空气，这主要由毛细作用力和静电作用力的综合作用结果导致。微米尺度下的界面微观相互作用力还有一主要贡献力为毛细作用力，其大小与其毛细半月膜存在状态相关。在单一液体环境中，毛细半月膜难以形成，毛细作用力分量极小；同时水介电常数远大于空气介电常数，即水中的静电力分量大于空气；另外毛细作用力的作用距离较短，而静电作用力则属于长程作用力，尤其是在介电常数较大的液体环境中。
影响因子5：不同粗糙度等级的被测表面。本实施例中，设置光滑铝面Ra＝1.6，粗糙铝面Ra＝12.5。
被测表面粗糙度主要影响界面微观相互作用力中的范德华力分量。图5为直径206μm的探针微球，被测表面为粗糙铝面及光滑铝面的力-分离位移曲线。由图5测试结果表明：对于具有微米级别特征尺寸的探针微球下的界面微观相互作用力，粗糙度的影响不明显，即范德华力分量在界面微观相互作用力中量级相对较小。结合数学模型拟合分析，范德华力这一分量在微米尺度下的界面微观相互作用力中量级较低，而在纳米尺度下的原子力显微镜的界面微观相互作用力测量中，范德华力为主要贡献力。
综上所述，界面微观相互作用力的测量方法中设置了不同影响因子，以研究微米尺度下界面微观相互作用力的力学机理，通过该测量系统，实现了对微米尺度下界面微观相互作用力的测量研究，获得了微米尺度下微球头的力-位移曲线，揭示了微米尺度下界面微观相互作用力的相关作用机理和规律，从而对测量研究界面微观相互作用力有普遍指导意义。
Claims (4)
1.一种微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统，其特征包括：传感模块、光学感测模块、解调光路模块、信号调理模块、上位机模块和微位移模块；
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)；
所述微位移模块，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)根据预处理后的光功率电压信号，建立光功率电压信号与界面微观相互作用力函数传递模型，从而得出界面微观相互作用力及力-分离位移曲线。
2.根据权利要求1所述的界面微观相互作用力测量系统，其特征是，所述光功率电压信号与界面微观相互作用力函数传递模型如式(1)所示：
式(1)中：P为高灵敏度光电探测器(8)接收的光功率电压信号；α为光通过耦合器的光能利用率；RS为测量FBG传感器(3)的峰值反射率；RM为匹配光栅(4)的峰值反射率；ΔλS为测量FBG传感器(3)的光谱半峰全宽FWHM或称为3db带宽；P0为ASE宽带光源(5)进入系统的总的光功率；λ1为测量FBG传感器(3)和匹配光栅(4)在没有任何物理量的作用下固有的布拉格波长差；λS为测量FBG传感器(3)的布拉格波长；Pe为光纤的弹光系数；E是光栅的杨氏模量；A是探针微球尖端的投影面积；F是界面微观相互作用力。
3.一种利用权利要求1所述的微米尺度下的界面微观相互作用力测量系统的测量方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、预热所述ASE宽带光源(5)，设置不同的界面微观相互作用力影响因子；调整所述测量FBG传感器(3)端部的探针微球并对准相应的被测表面；
步骤2、所述测量FBG传感器(3)固定不动，调整所述三维微动平台(13)进给量为微米级，所述三维微动平台(13)按照所述进给量将所述被测表面推进至所述测量FBG传感器(3)，从而使测量FBG传感器(3)及被测表面之间的相对距离进入界面微观相互作用力的作用区域；
步骤3、所述计算机(11)控制所述数字电压控制器(12)输出压电信号，用于控制所述一维纳米微动平台(14)以纳米量级进行位移；同时，所述数据采集卡(10)采集移动过程中的光功率电压信号并在所述计算机(11)内通过函数传递模型得到对应的界面微观相互作用力测力信号；
步骤4、所述计算机(11)持续控制所述一维纳米微动平台(14)进行位移，并识别对应的界面微观相互作用力的测力信号，从而确定测量FBG传感器(3)与被测表面的接触零点，即确定界面微观相互作用力的作用区域，并建立力-分离位移曲线。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征是，所设置不同的界面微观相互作用力影响因子包括：不同特征尺寸的探针微球、不同探针微球与被测表面的相对距离、不同测量介质、不同材料的被测表面以及不同粗糙度的被测表面；
所述不同特征尺寸的探针微球，是采用光纤融合方法制成，所述探针微球与所述测量FBG传感器(3)端部一体成型，所述探针微球的直径为微米级；
所述不同测量介质是设置有液体测量介质或气体测量介质；
所述不同材料的被测表面是设置有金属被测表面或非金属测量表面。
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