一、导读

在生物与医学领域的科学研究和临床手术中，精准的微小力值测量扮演着至关重要的角色。微小力值传感测量涵盖了从细胞到组织或器官的多层次力值感知，在生物样品的保护、疾病的诊治等方面发挥重要作用，其测量结果准确性与可靠性直接决定了疾病诊断的准确与否，决定了手术治疗、细胞操作的成败。

2024年5月，福州大学精密仪器与智能测控研究所在中科院二区TOP期刊《Measurement》发表了题为“Three-dimensional micro-force measurement method based on broadband optical coherence” 的文章。提出了一种基于宽带光学相干的三维微力测量方法，在X、Y和Z方向的量程均为500 mN，分辨率分别为0.10 mN、0.11mN和0.13 mN。在（100–500）mN测量范围内，最大耦合率为4.55%，最大线性误差为4.70%。最大重复性误差仅为0.615%。该多维测力方法和传感器具有高分辨率、低耦合率、高线性度和高精度等优点，可应用于生物、医学等领域。文章第一作者为梁伟副教授，第二作者为2021级硕士研究生黎兴强。

二、内容简介

（1）结构设计

本文设计了一种新型、紧凑、低耦合的弹性元件，其最大外径为26 mm，基于弹性力学理论，推导了弹性元件上三个测量点的位移与三维外力的函数映射关系，并采用有限元方法进行了仿真验证。图1（a）所示为微力传感器的核心部件——弹性体，它主要由圆柱体、辐条和直杆组成。多分量位移传感系统的三个位移探针均匀分布在传感器周围，用于测量位移变化。如图1（c）所示，在多维微力的作用下，辐条和直杆发生弯曲，使各位移分量的传感探头端面与反射镜之间的距离发生变化。采用宽带光学相干测量系统实现对各种位移分量的精准测量。

图1. 微力传感器的组成与结构

（2）光路设计

基于光学干涉的原理，设计了如图2所示的多分量位移量传感系统，其主要由位移信号探头、2×6光纤耦合器、光谱仪、宽带光源、计算机等组成。宽带光源发出的光经过光纤耦合器均分为六路光（三路样品光和三路参考光）。三路样品光被变折射率透镜聚焦后，再被需要探测位移量的目标反射；而三路参考光经过透镜组聚焦后，被固定反射镜反射。六路光在光纤耦合器内重新汇合后进入光谱仪的准直器，从而变为一束平行光。这束平行光经过反射光栅后分离成多波段的准单色光，再经柱透镜聚焦和平面镜反射进入线阵相机。最终，线阵相机采集的干涉光谱图由计算机完成处理。当可移动反射镜被进行位移调整时，样品光和参考光的光程差会发生变化，从而导致干涉光谱信号也会发生特定的频率变化。通过对干涉光谱进行解耦运算就能得到三个可移动反射镜被移动的位移量。

图2. 多位移量检测系统

（3）实验验证

如图3所示，在光学平台上搭建了实验装置，通过悬挂不同重量的砝码，传感器可以被施加不同数值的力，而标定平台的两个精密旋转台用于改变力的方向。通过耦合标定实验，建立传感器的耦合映射机制，从实验层面实现了弹性体维间解耦。实验验证结果表明，X、Y、Z方向上的灵敏度分别为32 μm/mN、30 μm/mN和26 μm/mN，分辨率分别为0.10 mN、0.11 mN、0.13 mN，在（100-500）mN的测量范围内，单维力和多维力的最大示值误差分别为5.44%和8.19%，最大线性误差为4.70%，最大耦合率为4.55%，在（0-500）mN测量范围内，最大重复性误差仅为0.615%。基于宽带光相干的位移式多维微小力值测量方法有效解决了传统多维微小力值测量灵敏度低、分辨率不足、线性度不高、稳定性欠缺的难题。

图3. 实验装置

三、总结

本研究提出了一种基于宽带光学相干的位移型三维微力传感测量方法。所提出的传感器采用了辐条与直杆相结合的弹性元件，具有结构紧凑、简单、体积小、易于加工的优点。制造了一种最大外径为26 mm、X、Y和Z方向测量范围为（0-500）mN的传感器。使用SUS304、65Mn和Gcr15制造了弹性部件的原型系统。推导了力与位移之间的函数关系，并利用有限元分析软件初步验证了函数关系的正确性。传感器的标定和验证实验表明，该传感器具有高分辨率、低耦合率、高线性度和高精度的特点。在X、Y和Z方向上的分辨率分别为0.10 mN、0.11 mN和0.13 mN。在（100–500）mN的测量范围内，最大耦合率为4.55%，最大线性误差为4.70%。实验结果表明，与近年来文献所报道的传感器相比，本文传感器具有更高的分辨率和较低的最大重复性误差。所提出的光学传感测量方法可以实现精确的多维微力测量，在生物医学领域具有应用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114845