磁悬浮触针位移传感器的制作方法

本实用新型属于位移传感器领域，更具体地，涉及一种磁悬浮触针位移传感器。

背景技术：

接触式测量以其稳定可靠、测量范围大、结构简单、抗干扰能力强、分辨力较高等优点被广泛应用各种场合，比如测量表面的微形貌，工件表面在工作台的带动下以一定的速度运动，触针实时地贴合表面，表面的粗糙度，纹理结构使得触针发生微小的上下移动，这种上下移动可以通过光学干涉计量系统，再转化成电信号测量。接触部分的触针，其针尖通常是以平坦或圆形尖端终止的金字塔或圆锥形金刚石，触针锥形尖端圆弧半径一般为2、5或10μm，锥角60°或90°。支承的机械结构作为传感器的输入端将影响整个系统的性能。

传统的接触式测量最主要的为杠杆式触针位移传感器，如图1所示。接触式测量通常是让装在杠杆一端的触针随着被测表面轮廓起伏运动，通过杠杆的另一端的位移传感器将被测表面高度信息转换成电学信号，随后对信号进行处理，从而得到被测表面信息。由于采用杠杆结构，在测量过程中杠杆总是要绕其支点转动，触针走过的轨迹是一段弧线，这会不可避免地引起测量误差，而且测量误差会随着测量范围的增加而增大，这使得测量得到的轮廓和零件的原始轮廓不相符。同时，触针与零件间测量力的大小也随着测量范围的变化而变化，这不仅会划伤被测表面，而且会加剧触针针尖的磨损，还会影响测量结果，该方法并不能真实反映被测对象的相关信息。

随着现代科技尤其加工制造、控制、计算机等技术的成熟，使得触针在垂直方向上运动并在垂直方向上计量成为可能。同时，随着超精密加工技术、半导体工业、MEMS技术的发展，在纳米尺度内进行超精密表面形貌准确测量的需求越来越迫切。因此，研究在测量原理上尽可能地减少误差，直接在垂直方向上探知被测表面微观凸凹信息，真实准确地反映被测表面相关信息是十分迫切的。目前，在垂直方向直接计量被测表面形貌信息的可溯源表面形貌测量仪器已达到纳米级的分辨率，但触针轴在垂直方向的运动完全都是靠气浮轴承的导向作用实现，气浮轴承出气口处的气流会影响触针和计量装置的稳定性和精度，会影响测量结果，并且需要额外的气源装置提供恒定压力空气。CN201511071455.7公开了一种用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其测量对象是表面的微观形貌，其悬浮模块采用的是磁悬浮支承座与探杆间的作用力，在基座内设电磁线圈，该测量装置操作上存在诸多不便；其探杆在水平方向上容易发生偏摆，会影响光栅计量的精度；触针的支承只靠磁悬浮轴承悬浮保证，没有导向模块，更没有进行必要的位移反馈补偿，无法保证表面微观形貌测量对触针的稳定性要求。因此，有必要研究设计一种新型的触针式位移传感器。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁悬浮触针位移传感器，其中通过对其关键组件(如触针轴悬浮模块、触针轴导向模块)结构及其具体设置方式的研究和设计，相应地可有效解决定位精度及测量精度差的问题，具有测量精度高，运动稳定性好，结构简单，操作方便等优点。

为实现上述目的，本实用新型提出了磁悬浮触针位移传感器，其包括触针轴悬浮模块、触针轴导向模块以及分别设于触针轴悬浮模块的下方和上方的测量探头模块和位移测量模块，其中：

所述触针轴悬浮模块包括触针轴、环形磁铁和线圈保持架，该环形磁铁安装在所述触针轴上，并与触针轴过盈配合，该线圈保持架套装在所述触针轴的外部，并且其内表面与所述环形磁铁相对，外表面的上、下端分别缠绕有上悬浮线圈和下悬浮线圈，该上悬浮线圈和下悬浮线圈彼此平行且共轴；

所述触针轴导向模块包括上导向模块和下导向模块，该上导向模块套装在所述触针轴的外部并与线圈保持架的上端相连，其包括上磁悬浮轴承，该上磁悬浮轴承的内表面上设置有四个面向触针轴的上磁极柱，四个上磁极柱上均缠绕有上载流线圈，其中相邻的两个上磁极柱的上方分别设置有一面向触针轴的上间隙传感器；该下导向模块套装在所述触针轴的外部并与线圈保持架的下端相连，其包括下磁悬浮轴承，该下磁悬浮轴承的内表面上设置有四个面向触针轴的下磁极柱，四个下磁极柱上均缠绕有下载流线圈，并且四个下磁极柱与四个上磁极柱上下对称布置，此外，与上方设置有上间隙传感器的两个上磁极柱对应的两个下磁极柱的下方分别设置有一面向触针轴的下间隙传感器。

作为进一步优选的，，四个上磁极柱沿触针轴外表面圆周间隔90°均匀布置，相对的两个上磁极柱组成一对，共形成两对，其中一对上磁极柱形成N-N磁路，另一对上磁极柱形成S-S磁路。

作为进一步优选的，一对上磁极柱上方的上间隙传感器用于检测触针轴的偏摆量，并将偏摆量转换为电流信号然后反馈至该对上磁极柱上的载流线圈的电流输入端，从而改变一对上磁极柱上的载流线圈的电流大小，以使得触针轴处于中心位置。

作为进一步优选的，所述触针轴上还套装有上方形轴套和下方形轴套，上方形轴套和下方形轴套均为导磁性材料。

作为进一步优选的，所述测量探头模块包括触针夹持头和触针，该触针夹持头的上端与触针轴刚性连接，下端安装所述触针。

作为进一步优选的，所述位移测量模块包括反射镜和光学计量模块，该反射镜固定在触针轴的上端，该光学计量模块设于反射镜的上方。

作为进一步优选的，所述上悬浮线圈和下悬浮线圈的直径相同，并且两者之间的安装距离与下悬浮线圈半径的比值为1.76。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.为了保证触针运动，本系统采用了磁力轴承作为垂直方向上的垂直导向机构，消除了传统接触式测量的非线性误差，测头将工件表面形貌1:1传递给了计量系统，线性运动特性良好，提高了测量精度。

2.本实用新型通过控制悬浮模块的悬浮线圈中磁力的大小，抵消触针轴的重力，达到测量力可控的目的，可以保证测量过程中测量力的恒定，降低了对工件表面的损伤。

3.本实用新型的间隙传感器实时检测触针轴的位置，并可反馈其相对中心的偏移量，通过该偏移量实时调节载流线圈的电流大小，使触针轴始终处于中心位置，提高了定位精度。

4.本实用新型采用磁力轴承导向模块和悬浮模块，可有效保证触针在垂直方向运动的过程中能与被测试件保持恒定接触力，本实用新型的悬浮模块的绕线为外部绕线方式，操作简单。

附图说明

图1是传统杠杆式触针位移传感器的结构示意图；

图2是本实用新型的磁悬浮触针位移传感器的结构示意图；

图3是间隙传感器及载流线圈的布置示意图；

图4(a)和(b)是两种磁路布置方式示意图；

图5(a)和(b)是两种磁路布置方式对应的磁场分布示意图；

图6是磁力轴承单对磁极的工作原理图；

图7是光学计量模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本实用新型实施例提供的磁悬浮触针位移传感器，包括触针轴悬浮模块、触针轴导向模块以及分别设于触针轴悬浮模块的下方和上方的测量探头模块和位移测量模块，其中，触针轴悬浮模块用于悬浮支撑触针轴，并且可控制测量力，触针轴导向模块用于检测触针轴两个方向的偏摆量，并根据偏摆量调节载流线圈的电流大小，以保证触针轴在测量过程中处于中心位置，测量探头模块用于与被测物体表面接触，而位移测量模块则通过检测激光干涉条纹实现物体垂直方向位移的测量。通过上述各模块的相互配合，使得触针与被测试件的接触力恒定，并在垂直方向上进行计量，具有测量精度高，运动稳定性好，结构简单，操作方便等优点。

下面对各模块进行更为详细的说明。

如图2所示，触针轴悬浮模块包括触针轴17、环形磁铁15和线圈保持架6，该环形磁铁15安装在触针轴17上，并与触针轴17过盈配合，具体套装在触针轴17的中部位置，该线圈保持架6套装在触针轴17的外部，并且其内表面与环形磁铁15相对，该线圈保持架6外表面的上、下端分别缠绕有上悬浮线圈5和下悬浮线圈7，该上悬浮线圈5和下悬浮线圈7彼此平行且共轴。当上悬浮线圈5和下悬浮线圈7通方向相反、大小相同的电流时，上悬浮线圈5和下悬浮线圈7构成麦克斯韦线圈，在两线圈中间产生恒定的电磁场，环形磁铁15在电磁场的作用下产生磁力使触针轴17悬浮，通过调节通悬浮线圈中电流的大小来控制测量力，可以保证触针与被测物接触又不会划伤被测物。

根据电磁学理论，在磁场强度H作用下，永磁铁(即环形磁铁)在x方向(垂直向上)的电磁力F可表示为磁矩M与磁场梯度的乘积，如下式所示：

式中，μ0为真空磁导率，μr为永磁铁的磁导率，B为磁感应强度。

对于选定的永磁铁，其磁矩M为固定值，为得到恒定的电磁力，只需要得到恒定的磁场梯度，本实用新型使用一对相同且彼此平行的共轴圆形线圈(麦克斯韦线圈)，通入相反电流来形成恒定磁场梯度，以保证触针系统中的磁铁能够产生足够的恒定力将触针浮起并使触针与试件表面产生恒定的接触力。

其中，麦克斯韦线圈中磁场梯度的大小与线圈半径的大小及两个线圈之间的安装距离有关。令t为两个线圈之间的安装距离d与线圈半径R的比值t＝d/R，安装距离指的是上悬浮线圈5和下悬浮线圈7两者绕线环中心之间的距离，取t＝1.0，1.2，1.4，1.6，1.7，1.74，1.76，1.78，1.8，1.9，2.0及2.2，可得出相应的曲线图。根据试验发现当t＝1.76时，存在在-0.15R到0.15R之间恒定值，也就是说在触针运动上下0.15R位移时，装在触针轴上的磁铁与通电线圈能保持恒定的电磁力，也即触针与被测表面的接触力能保持恒定。因此本实用新型将两个线圈之间的安装距离d与线圈半径R的比值限定为1.76，本实用新型优选采用直径为26mm的线圈作为上、下悬浮线圈，并使两者之间的安装距离为22.88mm，使得当两个线圈通入恒定电流时，在两线圈中心上下2mm(即总共4mm)左右的区域内可以得到恒定的电磁力，从而实现测量恒力的要求。

如图2和3所示，触针轴导向模块包括上导向模块和下导向模块，该上导向模块套装在触针轴17的外部并与线圈保持架6的上端譬如通过螺纹相连，其包括上磁悬浮轴承3，该上磁悬浮轴承3的内表面上设置有四个面向触针轴17的上磁极柱，四个上磁极柱上均缠绕有上载流线圈4，即共有四个上载流线圈4a-4d，其中相邻的两个上磁极柱的上方分别设置有一面向触针轴17的上间隙传感器2，即一个上磁极柱的上方设置有一个上间隙传感器，共设有两个上间隙传感器2a和2b，以检测触针轴两个方向的偏摆量，具体的上间隙传感器通过上传感器支架1安装在上磁悬浮轴承的上端，并位于上磁极柱的正上方；该下导向模块套装在触针轴17的外部并与线圈保持架6的下端譬如通过螺纹相连，其包括下磁悬浮轴承8，该下磁悬浮轴承8的内表面上设置有四个面向触针轴17的下磁极柱，四个下磁极柱上均缠绕有下载流线圈9，四个下磁极柱与四个上磁极柱上下对称布置，即每个下磁极柱和上磁极柱上下对应，并且与上方设置有上间隙传感器的两个上磁极柱对应的两个下磁极柱的下方设置有下间隙传感器10，具体的下间隙传感器通过下传感器支架11安装在下磁悬浮轴承的下端，并位于下磁极柱的正下方。

如图2所示，四个上磁极柱沿触针轴17外表面圆周间隔90°布置，即四个上磁极柱布置在触针轴17的前后左右方向，位于触针轴17前后方向的两个上磁极柱为一对，另两个上磁极柱为一对，即一对上磁极柱的中心连线与另一对上磁极柱的中心连线垂直，其中一对上磁极柱上的上载流线圈通电形成N-N磁路，另一对上磁极柱上的上载流线圈通电形成S-S磁路，而四个下磁极柱的布置方式、结构以及原理均与四个上磁极柱完全相同。

在本实施例中，导向模块中磁力轴承通过绕在磁极柱上的两对线圈通电形成电磁铁，即触针轴的上、下两端各有两对磁极，上、下各两对磁极对触针轴产生磁力作用，并作用在触针轴的表面，使触针轴处于中心位置，研究时实用新型人采用了图4(a)和(b)两种磁路布置方式，两种磁路布置方式对应的磁场分布如图5(a)和(b)所示，根据图5(a)和(b)可知，当采用N-S磁路布置方式时，相邻的两个磁极磁力耦合现象严重，且磁力线沿触针轴对角线方向穿过，两对磁力并非垂直于触针轴表面，该种布置方式使得磁力难以控制，而N-N+S-S磁路布置方式下，磁力垂直作用于触针轴表面，便于反馈控制，根据该研究本实用新型将同一磁力轴承中的磁路设计成一对磁极为N-N、另一对为S-S，以使产生的磁力对触针轴的作用效果更好，该磁力轴承相当于一对并且具有一定承载能力和刚度的轴承。

优选的，触针轴17上还套装有上方形轴套16和下方形轴套14，上方形轴套16和下方形轴套14均为导磁性材料，以增强触针轴表面的磁作用力。具体的，上、下间隙传感器为电涡流位移传感器，用于检测触针轴和磁悬浮轴承磁极之间的气隙值，对触针轴位置进行反馈调节。更为具体的，上磁悬浮轴承和下磁悬浮轴承优选45号圆柱形钢制成。

下面以上导向模块的前后一对磁极柱为例对磁力轴承的工作原理进行说明，如图6所示，采用一对对称的功放电路驱动一对电磁铁，在一对磁极柱上的载流线圈中通入相同的初始电流I0以产生两个大小相同、方向相反的电磁力，在该电磁力的作用下，触针轴处于中心(平衡)位置。当有外界干扰使触针轴偏离中心位置时，假设如图6所示，触针轴向下偏移距离y，此时设于前方磁极柱上方的上位移传感器检测到位移量，并将其转换为位移电信号，然后将位移电信号通过功放电路转化为电流信号以反馈到载流线圈的电流输入端，使电磁铁的电磁场大小发生变化，从而对触针轴的位置进行调整，以形成闭环控制，如图6所示，位于触针轴后方的载流线圈的输入电流变为I0+iy(iy为偏移距离y对应的电流信号)，位于触针轴前方的载流线圈的输入电流变为I0-iy，以使得f1>f2，从而使得触针轴被拉回平衡位置。

如图2所示，测量探头模块包括触针夹持头12和触针13，该触针夹持头12的上端与触针轴17刚性连接，下端安装有触针13。所述触针13随被测工件垂直方向上位移的变化而上下移动，其优选采用锥角为90°，半径为2μm的针尖测头，触针轴为空心方轴，便于悬浮支撑。

如图2所示，位移测量模块包括反射镜18和光学计量模块19，该反射镜18固定在触针轴17的上端，该光学计量模块19设于反射镜18的上方用于计量触针的位置信息。现有技术中任何可实现触针位置信息计量的光学计量系统均可作为本实用新型的光学计量模块，本实用新型只对光学计量原理进行简要说明。如图7所示，激光器发出的光经平面反射镜1反射，入射到偏振分光棱镜后分成两束，第一束光被反射到平面反射镜2，然后经平面反射镜3反射回偏振分光棱镜；第二束光透过偏振分光棱镜后，通过1/4玻片，被反射镜18反射后返回到偏振分光棱镜，该束光在偏振分光棱镜中被反射到左侧角锥棱镜中然后到达偏振分光棱镜后再次被反射，然后再次通过1/4玻片，被反射镜18反射后返回到偏振分光棱镜并透射，然后与经平面反射镜3反射回偏振分光棱镜中的第一束光经偏振片后发生干涉产生干涉条纹。反射镜18位于触针轴末端，当触针轴在垂直方向上位移发生变化时，就会产生干涉条纹的移动，干涉条纹由四象限光电探测器接收并送入计算机进行处理，通过检测干涉条纹的变化对被测物体垂直方向的微小位移进行测量。本光路中使用的偏振分光镜和1/4玻片可以减少光能量损失，保证后续干涉时条纹的亮度，计量模块采用激光干涉式计量，角锥棱镜对角度偏斜不敏感，安装方便，稳定性高。

本实用新型基于磁悬浮支撑技术，设计位移测量传感器，电磁力悬浮起触针轴，两端的磁力轴承保证触针轴在测量过程中处于垂直位置，使触针在垂直方向探知表面形貌高度，保持触针与被测试件的接触力恒定，并在垂直方向上进行计量，具有结构简单，操作方便，测量精度高等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。