专利名称：二维位移传感器及应用的大量程表面形貌测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于大量程表面形貌测量的二维位移传感器及应用的大量程表面形貌测量装置，属于测量装置技术领域。
背景技术：
在目前广泛使用的接触式表面形貌测量仪器中使用的位移传感器多为传统的一维位移传感器，它仅能测量垂直方向上的位移，不能探测到触针在水平方向上所遇到的阻力，在测量表面形貌时存在着一定的局限性。这个局限性主要体现在在大量程表面形貌测量中，这种一维位移传感器的测量触针遇到陡峭的轮廓表面时会由于水平方向的阻力太大而不能顺利划过轮廓表面，所以它不能测量台阶、沟槽和大曲率轮廓表面；另外，在测量过程中，触针和杠杆始终要绕杠杆支点转动，当量程增大或被测表面的起伏较大时，会不可避免地存在较大的非线性测量误差和测量力，而且量程越大非线性测量误差和测量力就越大。因此，采用传统一维位移传感器的测量仪器的触针不能顺利划过陡峭的表面，也无法很好地同时兼顾测量精度与量程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量触针能顺利划过陡峭的表面，因此能对各种复杂表面进行大量程和高精度测量的二维位移传感器及应用的大量程表面形貌测量装置，以克服现有技术的不足。
本发明的二维位移传感器，它包括固定支架(1)，在固定支架(1)上通过平行簧片(2)连接有可动支架(3)，固定支架(1)和可动支架(3)之间安装有水平位移传感器(11)，可动支架(3)上安装杠杆支点(4)，杠杆支点(4)上安装杠杆(5)，杠杆(5)的一端固定触针(6)，杠杆(5)的另一端与可动支架(3)之间安装有垂直位移传感器(8)。
上述的二维位移传感器，垂直位移传感器(8)的构造包括磁芯(9)和电感线圈(10)，磁芯(9)固定在杠杆(5)的右端，电感线圈(10)固定在可动支架(3)上，磁芯(9)置于电感线圈(10)内。
上述的二维位移传感器，水平位移传感器(11)的构造包括磁芯(12)和电感线圈(13)，磁芯(12)固定在固定支架(1)上，电感线圈(13)固定在可动支架(3)上，磁芯(12)置于电感线圈(13)内。
上述的二维位移传感器，在可动支架(3)与杠杆(5)之间安装有弹簧(7)。
本发明的应用二维位移传感器的大量程表面形貌测量装置，二维位移传感器(14)安装在立柱(25)上，立柱(25)固定在底座(19)上，在底座(19)上设有可水平和垂直移动的垂直扫描工作台(23)，垂直扫描工作台(23)上放置工件(24)；二维位移传感器(14)、垂直扫描工作台(23)通过测控电路(16)连接计算机(15)。
本发明的应用二维位移传感器的大量程表面形貌测量装置，垂直扫描工作台(23)的构造包括X-Y工作台(18)、斜面机构(20)、压电陶瓷驱动器(21)和工作台(17)；带电机的斜面机构(20)安装在X-Y工作台(18)上，斜面机构(20)上方设有压电陶瓷驱动器(21)，压电陶瓷驱动器(21)上方为工作台(17)，在压电陶瓷驱动器(21)上设有衍射光栅位移传感器(22)。
本发明的二维位移传感器，是由主传感器(垂直位移传感器)和辅助传感器(水平位移传感器)通过活动的平行簧片结构(固定支架、可动支架及将它们联接在一起的平行簧片)组合而成的，在主传感器测量触针垂直方向的位移的同时，辅助传感器(水平位移传感器)可以检测出触针的水平偏移，在测量过程中，当触针碰到陡峭轮廓表面时，水平方向的阻力会引起辅助传感器发生电感零位偏移，如果这个零位偏移量超过一个的设定值，垂直扫描工作台就会下降，直到触针的偏移量小于设定值，从而使触针在每一个采样间隔中都能顺利地划过陡峭轮廓表面。在测量过程中，由于杠杆在每一个采样间隔中都回到平衡位置，这样就减少了由于杠杆偏离平衡位置而带来的测量原理误差；另外，传感器电感的零位偏移量总是回复到零位设定值之内，传感器电感总是工作在零位附近的线性区中，从而大大减小了电感偏离零位所带来的非线性误差。因而可以对各种复杂表面轮廓进行测量，具有更多的测量参数。同现有技术相比，本发明具有能够使触针顺利划过陡峭轮廓表面，对各种复杂表面进行大量程和高精度测量，测量误差小等优点，适合于各种复杂表面轮廓的测量。
附图1为本发明二维位移传感器的结构示意图；附图2为本发明大量程表面形貌测量装置的结构示意图；附图中的标记说明固定支架(1)，平行簧片(2)，可动支架(3)，杠杆支点(4)，杠杆(5)，触针(6)，弹簧(7)，垂直位移传感器(8)，磁芯(9)，电感线圈(10)，水平位移传感器(11)，磁芯(12)，电感线圈(13)，二维位移传感器(14)，计算机(15)，测控电路(16)，工作台(17)，X-Y工作台(18)，底座(19)，斜面机构(20)，压电陶瓷驱动器(21)，衍射光栅位移传感器(22)，垂直扫描工作台(23)，工件(24)，立柱(25)，Z方向伺服电机(26)。
具体实施例方式
本发明的实施例。制作固定支架1，在固定支架1通过平行簧片2连接有可动支架3，可动支架3的上下两端分别采用平行簧片2进行连接，与固定支架1和可动支架3组成一个类似于平行四边形的活动结构，在固定支架1和可动支架3之间安装有水平位移传感器11，在可动支架3上安装杠杆支点4，杠杆支点4上安装杠杆5，杠杆5的一端固定触针6，杠杆(5)的另一端与可动支架(3)之间安装有垂直位移传感器(8)，在可动支架3与杠杆5之间安装弹簧7，得到二维位移传感器14。
在二维位移传感器14中，垂直位移传感器8是主传感器，由它探测表面形貌在垂直方向上(即Z方向)的起伏变化(该变化会引起触针发生垂直位移)，垂直位移传感器8的构造包括磁芯9和电感线圈10，磁芯9固定在杠杆5的右端，电感线圈10固定在可动支架3上，磁芯9置于电感线圈10中间的对称位置上。而水平位移传感器11是辅助传感器，水平位移传感器11的构造它包括磁芯12和电感线圈13，磁芯12固定在固定支架1上，电感线圈13固定在可动支架3上，磁芯12置于电感线圈10中间的对称位置上。
4个平行簧片2分别与固定支架1和可动支架3组成一个类似于平行四边形的活动结构，固定支架1相当于平行四边形的固定边，而可动支架3则相当于平行四边形活动边(与固定边相对)，4个平行簧片2柔性地连接平行四边形的四条边。当触针6发生垂直位移时，杠杆5就绕着杠杆支点4转动，从而使磁芯9发生相对于线圈10的相对运动；而当触针6发生水平位移时，可动支架3可通过四个簧片2整个在X方向作水平摆动，从而使磁芯12发生相对于线圈13的相对运动。弹簧7的作用是使在测量过程中触针6始终能与被测工件24表面轮廓充分接触。
将二维位移传感器14安装在立柱25上，立柱25固定在底座19上，在底座19上设有可水平和垂直移动的垂直扫描工作台23，垂直扫描工作台23上放置工件24；二维位移传感器14、垂直扫描工作台23通过测控电路16连接计算机15。垂直扫描工作台23的构造包括X-Y工作台18、斜面机构20、压电陶瓷驱动器21和工作台17；带电机的斜面机构20安装在X-Y工作台18上，斜面机构20上方设有压电陶瓷驱动器21，压电陶瓷驱动器21上方为工作台17，在压电陶瓷驱动器21上安装用于测量工作台17位移距离的衍射光栅位移传感器22，衍射光栅位移传感器22连接测控电路16和计算机15。
本发明的工作原理，当对工件24进行测量时，工件24放置在垂直扫描工作台23上，X-Y工作台18驱动垂直扫描工作23在水平方向(X方向)上逐个采样间隔(两个采样点这之间在X方向上的间距)进行运动，这时工件24轮廓表面的起伏会引起二维位移传感器14的触针6上下移动，杠杆5及垂直位移传感器8的磁芯9就会绕着杠杆支点4转动，同时垂直位移传感器8将产生一个零位偏移量，该零位偏移量被测控电路16的A/D电路转换后就送入计算机15进行处理。根据这一零位偏移量，压电陶瓷驱动器21和斜面机构20的Z方向伺服电机26驱动垂直扫描工作台23进行垂直运动，确保杠杆5始终在每一个采样点回到平衡位置。杠杆5是否回到平衡位置由零位偏移量是否小于零位设定值来确定，而零位设定值又根据不同的测量精度要求不同而设定为不同的值。一般情况下，对于高、中、低的测量精度要求零位设定值分别设定为1μm、10μm和100μm。
当触针6遇到陡峭轮廓表面时，在水平方向(即X方向)会遇到较大的阻力，如果阻力引起的电感零位偏移信号超过一个零位设定值，水平位移传感器11发送信号给计算机15，计算机15会控制垂直扫描工作台23下降，直到零位偏移量小于的零位设定值(该零位设定值的确定与垂直位移传感器相同)，从而使触针6顺利划过陡峭轮廓表面，所以水平位移传感器11相当于一个力传感器，保证触针6受的阻力不会过大而不能继续划动并避免引起误差。
在测量过程中，衍射光栅位移传感器22实时记录下垂直位移扫描工作台23的位移值，衍射光栅位移传感器23的信号输入计算机15进行处理后作为工件24表面形貌的测量结果。
权利要求
1.一种二维位移传感器，它包括固定支架(1)，其特征是在固定支架(1)上通过平行簧片(2)连接有可动支架(3)，固定支架(1)和可动支架(3)之间安装有水平位移传感器(11)，可动支架(3)上安装杠杆支点(4)，杠杆支点(4)上安装杠杆(5)，杠杆(5)的一端固定触针(6)，杠杆(5)的另一端与可动支架(3)之间安装有垂直位移传感器(8)。
2.根据权利要求1所述的二维位移传感器，其特征是垂直位移传感器(8)的构造包括磁芯(9)和电感线圈(10)，磁芯(9)固定在杠杆(5)的右端，电感线圈(10)固定在可动支架(3)上，磁芯(9)置于电感线圈(10)内。
3.根据权利要求1所述的二维位移传感器，其特征是水平位移传感器(11)的构造包括磁芯(12)和电感线圈(13)，磁芯(12)固定在固定支架(1)上，电感线圈(13)固定在可动支架(3)上，磁芯(12)置于电感线圈(13)内。
4.根据权利要求1所述的二维位移传感器，其特征是在可动支架(3)与杠杆(5)之间安装有弹簧(7)。
5.一种如权利要求1～4任一所述的应用二维位移传感器的大量程表面形貌测量装置，其特征是二维位移传感器(14)安装在立柱(25)上，立柱(25)固定在底座(19)上，在底座(19)上设有可水平和垂直移动的垂直扫描工作台(23)，垂直扫描工作台(23)上放置工件(24)；二维位移传感器(14)、垂直扫描工作台(23)通过测控电路(16)连接计算机(15)。
6.根据权利要求5所述的应用二维位移传感器的大量程表面形貌测量装置，其特征是垂直扫描工作台(23)的构造包括X-Y工作台(18)、斜面机构(20)、压电陶瓷驱动器(21)和工作台(17)；带电机的斜面机构(20)安装在X-Y工作台(18)上，斜面机构(20)上方设有压电陶瓷驱动器(21)，压电陶瓷驱动器(21)上方为工作台(17)，在压电陶瓷驱动器(21)上设有衍射光栅位移传感器(22)。
全文摘要
本发明公开了一种二维位移传感器及应用的大量程表面形貌测量装置，它包括固定支架(1)，在固定支架(1)上通过平行簧片(2)连接有可动支架(3)，2个支架之间安装有水平位移传感器(11)，可动支架(3)上安装杠杆(5)，杠杆(5)的一端固定触针(6)，杠杆(5)的另一端与可动支架(3)之间安装有垂直位移传感器(8)。本发明的主传感器测量触针垂直方向的位移的同时，辅助传感器可以检测出触针的水平偏移，使触针在每一个采样间隔中都能顺利地划过陡峭轮廓表面。具有能够使触针顺利划过陡峭轮廓表面，对各种复杂表面进行大量程和高精度测量，测量误差小等优点，适合于各种复杂表面轮廓的测量。
文档编号G01C7/00GK101029817SQ20061020112
公开日2007年9月5日 申请日期2006年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者杨旭东, 王生怀, 李家春, 谢铁邦 申请人:贵州大学