随着三维纳米测量技术在机械工程、新一代信息技术、机器人和航空航天装备等众多领域的需求越来越多,纳米坐标测量机(Nano-CMM)的研制受到各国的重视。测头是坐标测量机的核心部件,它的发展水平决定测量机的发展水平。光纤布拉格光栅(FBG)是一种新型的传感器,它具有灵敏度高、轻巧、稳定、抗干扰性强、易于组网和成本低的优良特性,本文将其作为传感元件,研制可用于Nano-CMM的三维纳米触发测头系统。论文主要研究工作如下:在综合分析FBG传感机理以及解调方式对解调精度影响的基础上,设计了一种基于时分复用系统的自匹配解调方案,实现测头系统FBG传感信号的复用解调。该方案不仅满足了三维纳米测量精度的需求,还简化了测头系统的结构,节省了成本。在研究测头系统的感测机理的基础上,设计了三维纳米测头的机械结构,建立了测头三维空间传感矢量模型。采用计算机辅助设计,以提高测头灵敏度为目标,得到测头机械结构参数与测头灵敏度之间的关系,最后通过综合优化确定了测头悬浮机构的各尺寸参数。研究了测头部件弹性元件低成本、高精度的新型制备方法。该方法利用化学蚀刻技术来制作弹性元件,解决了传统线切割方法中异形结构加工难和成本高的问题,减小了弹性元件的形状误差和尺寸误差,避免了切割过程中热量和应力等因素对弹性元件稳定性的影响,提高了弹性机构的使用寿命和可靠性。搭建了实验系统对测头进行了性能研究。在温度波动为±0.1℃的测量环境下,分别测试了测头系统的灵敏度、噪声、分辨率、稳定性、重复性、预行程和测量力等性能。其中测头系统在X、Y和Z三个方向的分辨力和重复性误差均达到纳米量级,测力小于3mN;分析了纳米测头的各项误差来源,进行了误差建模与合成,并给出了减少各项误差的有效方法和技术。改变原有测头工作模式,提出了一种新型低测力振动测头,解决基于FBG的纳米测头测力偏大,以及纳米测头表面作用力对精度影响较大的问题。通过对振动测头和被测物之间的动力学模型分析,确立了利用谐振来抵消纳米尺度表面相互作用力的方法,并得到表面相互作用力和测头谐振参数之间的约束关系;对参数化后的谐振测头进行的性能实验表明测头与待测表面之间的测量力显著减小,测头的灵敏度指标相较于原有测头有明显提高。