一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微结构面形质量检测技术领域，特别涉及一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器。
【背景技术】
[0002]触针式位移传感器是形貌测量仪器的核心器件，广泛地用于工业在线和离线零件的表面形貌测量检测和表征。
[0003]对于触针式位移传感器，触针与被测样品之间测量力的大小将直接影响微结构形貌检测质量高低。测量力过大会使触针尖端和被测样品表面发生较大形变，对于触针而言较大的测量力轻则使触针尖端发生磨损影响测量精度，重则使触针断裂；对于被测样品而言，测量力过大将划伤样品表面，造成样品永久性损伤。若测量力较小将无法保证触针与样品的良好接触，容易出现触针的跳动，粘滑失稳等现象，影响触针跟随样品表面变化而变化的能力。因此针对不同材质的被测样品，应该控制不同的测量力，以保证最佳的测量效果。
[0004]当前触针式位移传感器测量力的产生与控制主要有以下几种:一是利用触针及与其连接的其他构件的重力产生测量力。这种方法的缺点是:测量力为一固定值，不能按照被测样品材料的变化而改变，传感器只能针对某些特定材料的样品进行测量，影响了传感器的使用范围。二是将触针与弹性元件连接，利用弹性元件的弹力产生测量力。这种方法的缺点是:测量力会随着样品表面形貌的变化而改变，不能始终保持在一个合适的范围内，在某些情况下会对样品造成损伤。三是利用音圈电机与弹性元件结合的方式提供和改变测量力。这种方法的缺点是:通过改变音圈电机的电压调节触针与被测样品之间的相对位置，这在一定程度上可以改变测量力的大小，但其目的是为了扩大传感器的量程而不是主动控制测量力，最终的测量力还是由弹性元件的弹力提供，无法从根本上解决上述第二种方法中存在的技术缺陷。另外上述第二和第三种方法中测量力的大小是未知的，测量时只能通过经验判断是否可以测量某一样品而不至于将其损伤，给测量带来诸多不便。
【发明内容】
[0005]为解决以上触针式位移传感器在测量力控制方面的技术难题，实现对测量力的精确测量与控制，我们发明了一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器。该传感器采用的技术方案详见下文描述。
[0006]本发明涉及一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，主要包括:测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块等。所述的测头模块包括用于接触样品表面并感知其表面高低变化的探针(I)和探杆(2)，探针(I)安装在探杆(2)下端，探杆(2)设置在测头支承模块内。
[0007]所述的测头支撑模块包括非接触式轴承(3)和传感器基座⑷，所述的非接触式轴承为一种磁悬浮轴承或空气轴承，若为磁悬浮轴承则所述的探杆表面需要涂有一层磁性材料，使磁悬浮轴承和探杆之间产生径向作用力，若为空气轴承则探杆表面不需要进行处理就可以产生径向作用力；所述的非接触式轴承固定安装在传感器基座(4)上，并通过轴承控制模块(13)与信号分析处理模块(11)连接。
[0008]所述的位移检测模块，包括标尺光栅(5-2)和读数头(5-1)，所述的标尺光栅设置在探杆(2)上，可随着探杆移动；所述的读数头安装在传感器基座(4)上，并通过位移信号采集模块(12)与信号分析处理模块(11)连接，用来读取探杆的位移信息。
[0009]所述的测量力控制模块包括衔铁(6)、电磁铁(7)和微拉压力传感器⑶，所述的电磁铁通过微拉压力传感器(6)固定在传感器基座(4)上，所述的衔铁同轴安装在探杆(2)的顶端，可跟随探杆移动。电磁铁(7)通过线圈控制模块(10)与信号分析处理模块(11)连接，微拉压力传感器(8)通过拉压力信号采集模块(9)与信号分析处理模块(11)连接。
[0010]如上所述的一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，更近一步说明为:所述的测量力控制模块中电磁铁(7)通过微拉压力传感器(8)与传感器基座(4)刚性连接，所述的微拉压力传感器为一种薄片式拉压力传感器，能够测量微小拉压力变化，并将拉压力信号通过与其连接的拉压力信号采集模块(9)送入信号分析处理模块(11)进行处理。
[0011]所述的电磁铁为一种E形或螺管形电磁线圈，在线圈的下侧设置有与其相对的衔铁(6)，所述的衔铁与电磁铁(7)之间存在一变化范围为O —15_的间隙，在线圈的磁极上饶有高强度QZ漆包线，所述的QZ漆包线中的控制电流由信号分析处理模块(11)通过与其连接的线圈控制模块(10)提供，所述的信号分析处理模块通过改变QZ漆包线中电流的大小控制电磁铁(7)与衔铁(6)之间的电磁力。
[0012]如上所述的一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，更近一步说明为:所述的测头模块的径向支承由测头支撑模块中的磁悬浮或空气轴承提供，所述的磁悬浮或空气轴承由信号分析处理模块(11)经过轴承控制模块(12)控制，可产生一种较大且稳定的径向力支承探杆(2)，保证测头模块及与其相连的标尺光栅(5-2)和衔铁(6)在水平方向不会发生较大偏移。
[0013]如上所述的一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，更近一步说明为:所述的探针与被测样品(14)之间的测量力F由测头模块、标尺光栅(5-2)和衔铁(6)的总重力Gl及电磁铁(7)对衔铁(6)的电磁力Fl的合力产生，如附图2所示，其大小的计算公式为:
[0014]I F I = I Gl 1-1 Fl I(I)
[0015]当所述的测头模块跟随被测样品表面移动时，电磁铁(7)与衔铁(6)之间的间隙将会发生改变，导致电磁铁(7)对衔铁￠)的电磁力Fl发生变化，从而引起测量力F的改变。为保证测量力F不变，可通过线圈控制模块(10)调节电磁铁(7)中的电流，改变电磁力Fl的大小，使测量力F趋于稳定。
[0016]所述的微拉压力传感器中的测得力F2如附图3所示，与电磁铁(7)的重力G2和衔铁(6)对电磁铁(7)的电磁力-Fl (与Fl大小相等方向相反)有关，其大小的计算公式为:
[0017]I F2 I = 1-Fl I + I G2 I(2)
[0018]由公式(I)和(2)可以推出测量力F与微拉压力传感器中的测得力F2之间的大小计算公式:
[0019]I F I = I Gl I + I G2 1-1 F2 I(3)
[0020]由此可见只要知道测头模块、光栅动尺(5-2)和衔铁(6)的总重力Gl及电磁铁
(7)的重力G2，就可以根据微拉压力传感器中的测得力F2求出测量力F。由于Gl和G2的大小是固定不变的，因此不论怎样调节电磁力Fl只要保证微拉压力传感器中的压力F2不变，就能保证测量力F不发生变化。
[0021]本发明的有益效果
[0022]本发明采用微拉压力传感器和电磁铁的组合，来测量和控制触针式位移传感器的测量力，其带来的有益效果是:
[0023]彻底改变了传统触针式位移传感器中测量力不可测，且不易控制的技术缺陷。在测量不同材料，不同表面形貌的被测样品时，可通过实时调节电磁铁(7)与衔铁(6)之间的电磁力Fl将测量力控制在一个特定的范围内，这样既可以保证探针与被测样品良好接触，又可以保证探针和样品不会损伤，扩大了触针式位移传感器的使用范围，提高了触针式位移传感器的测量精度。
[0024]说明附图
[0025]图1是本发明一种用于微形貌检测的测量力可控的触针