CN101701807B - 活塞式高精度微位移传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了活塞式高精度微位移传感器及其检测方法，属微位移检测技术领域。该传感器包括气缸缸体(105)、连接法兰(103)、微行程管(110)；其中气缸缸体(105)被活塞(107)分成气体装载腔(106)和液体装载腔(108)两个腔；连接法兰(103)通过气缸活塞杆(104)与活塞(107)相连；液体装载腔(108)经过液体缓冲器(109)与微行程管(110)一端相连通，气体装载腔(106)与微行程管(110)另一端相连通；微行程管(110)内装有电阻丝(112)，该电阻丝(112)与一电源形成检测电路。通过检测电阻丝(112)的阻值大小实现对微位移信息的检测。本发明具有低成本、高精度的优点。

Description

活塞式高精度微位移传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及微位移检测技术，更具体的说，是一种利用活塞式高精度微位移传感器实现精度在μm-nm级微位移检测的方法及系统。 

背景技术

微位移检测技术与集成电路制造技术及机械加工技术同步发展，而机床行业和集成电路行业是位移检测技术最大的市场，它是一门不断发展的技术。寻找基于新原理、新结构的位移检测方法，提高微位移传感器实用性和经济性是它发展的基本方向。 

微位移检测技术的发展，经历了经典电磁位移检测阶段和光学测量位移阶段。电磁位移检测法就是将位移的变化转换成各种电学量进行测量，可以用电容式、电阻式、电涡流式、电感式位移测量以及霍尔元件等来测量微小位移。光学测量位移法目前开发的特点是激光干涉检测技术比例逐渐增大，这基本上与半导体激光器的成功生产有关。利用这种技术制成的位移传感器精确度能达到光波的波长级甚至纳米级，这使得它在这个范围测量传感器的开发和生产成为一个独立的产业。 

光纤位移检测技术具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、光路有可绕曲性、结构简单、体积小和重量轻等特点，这使得光纤位移检测技术成为机载光学位移传感的一个发展趋势，是当今世界各国科技界研究的热点之一。近二十年来，微位移检测技术水平不断提高，获得了巨大的进步，涌现出了许多新型的检测技术和手段，但在实用性和经济性上尚没有很好的结合点。目前，高精度的微位移传感技术应用市场被国外少数几家厂家所垄断，如德国HEINDENHAIN，英国RENISHAW、NEWALL，日本MITUTOYO、SONY，美国ANILAM、METRONICS。微位移检测传感技术在我国的研究范围还不多见，这类技术的产品也不很丰富，但随着工业发展我国却需要大量的这种产品。因此，如果国内能研制这类传感器，替代国外产品，将会有可观的经济效益和社会效益。为此开发微位移检测技术的传感器具有重要的工程意义和广阔的应用前景。

微位移检测技术主要有以下几个应用领域： 

(1)机床业传感器，工作范围为1m，分辨率为0.5-1μm，测量最大速度为1000mm/s； 

(2)微电子传感器，工作范围为200mm，分辨率为1-2nm，误差10nm，最大测量速度为100-200mm/s； 

(3)机器人装置传感器，工作范围为50-100mm，误差为50μm； 

(4)精较机自动检测系统，工作范围为-1.5-1.5mm，精确度为1μm。 

对于一些测量环境比较恶劣、测量精度要求高的应用场合，可以选择光栅位移传感技术进行测量，然而，光学传感器的价格始终比较昂贵，应用范围有限。而对于一些用于试验观察或精度要求不很高的应用场合，目前主要应用电测法进行测量，但电测法检测的精度不是很高，而且价格也不算特别便宜。 

发明内容

针对微位移检测与工程实际应用相结合存在的问题，为实现低成本、高精度的微位移检测目的，实现机床、微电子、机器人等行业中的μm-nm级微位移检测目的，本发明提供一种活塞式高精度微位移传感器及其检测方法。 

一种活塞式高精度微位移传感器，其特征在于：包括气缸缸体、连接法兰、微行程管；其中气缸缸体被活塞分成气体装载腔和液体装载腔两个腔；连接法兰位于气体装载腔一侧，并通过气缸活塞杆与活塞相连；液体装载腔经过液体缓冲器与微行程管一端相连通，气体装载腔与微行程管另一端相连通；微行程管内装有电阻丝，该电阻丝与一电源形成检测电路。 

一种利用所述活塞式高精度微位移传感器的微位移检测方法，其特征在于包括以下过程： 

(a)、把气缸缸体固定，连接法兰与待测微运动部件连接，形成一个微位移可测量的检测系统； 

(b)、待测微运动部件发生微小位移时通过活塞杆推动活塞在气缸缸体内运动； 

(c)、如果活塞向液体装载腔一侧运动，则液体通过液体缓冲器流入微行程管(110)中，微行程管中的空气导入气体装载腔；如果活塞向气体装载腔一侧运动，则微行程管中的液体通过液体缓冲器流入液体装载腔，气体装载腔中的空气导入微行程管； 

(d)、活塞作用下的液体在微行程管中移动导致电阻丝的阻值变化，检测电阻丝的阻值大小实现对微位移信息的检测。 

活塞式高精度微位移传感器的检测分辨率可通过设置缸体直径与微行程管直径的比值来实现，该比值越大，则检测精度越高，反之，则越低。同时，提高微行程管中液体位移的检测精度，也可相应提高传感器的检测分辨率。在缸体直径与微行程管直径之比恒定的条件下，微位移量程范围可通过调整缸体和微行程管的长度来控制，缸体和微行程管的长度越长，则检测微位移范围越大，反之，检测微位移范围越小。如果气缸缸体截面与微行程管截面的直径比为50∶1，即缸体直径为Ф100mm，微行程管直径为Ф2mm，则0.4μm的活塞微位移对应1mm的微行程管液体位移。如果控制微行程管中液体位移的检测精度达到0.1mm，则可实现活塞杆40nm的检测分辨率。 

与现有技术相比较，本发明采用活塞缸体大截面积与微位移管的小截面积的比值，实现了活塞的微小位移量(微、纳米级)对应微位移管中液体的大位移量的转化，而通过检测电阻的方法可以很方便地检测微位移管中的液体位移变化。这一方法具备的优点有：传感器制造工艺简单，成本低廉；检测精度高，抗干扰能力强；可靠性高，对环境的适用性好。传统的微位移检测传感器采用光学方式的制造工艺复杂，价格昂贵，不能很好地进行推广使用；而采用电磁方式进行检测的微位移传感器抗干扰能力差，使用环境和要求较高，使用范围有限。可见， 

活塞式高精度微位移传感器巧妙利用了截面比这一方式，通过检测液位电阻的方式有效克服了传统微位移传感器的缺陷，实现了高精度的微位移测量。 

上述传感器或检测方法，可以通过实时测量电阻丝阻值变化并经过有关计算算出微位移数据，还可以进一步实现智能化：利用行程管液位/电阻转换装置采集电阻丝两端电压信号，转化为对应的微位移信息并通过微位移显示装置显示出数值。 

附图说明

图1是本发明的活塞式高精度微位移传感器的检测装置图； 

图1中标号名称：101-固定导轨，102-运动滑块，103-连接法兰，104-活塞杆，105-缸体外壳，106-气体装载腔，107-活塞，108-液体装载腔，109-液体缓冲器，110-微行程管，111-电阻丝抽头管，112-电阻丝，113-微位移显示装置，114-行程管液位/电阻转换装置。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明活塞式高精度微位移传感器检测方法进行说明。 

如图1所示，本发明的活塞式高精度微位移传感器包括： 

固定导轨101，在机床、机器人等设备上，与运动部件相对应的固定部件； 

运动滑块102，在机床、机器人等设备上，产生微小位移，并待检测的运动部件； 

连接法兰103，连接活塞杆与待检测的运动部件； 

活塞杆104，介于运动活塞与连接法兰之间，为微小位移的传递刚性部件； 

缸体外壳105，活塞式微位移传感器的外壳，传感器在使用时，缸体外壳固定在机床、机器人等设备的固定部件上； 

气体装载腔106，装载一定压力的气体，当活塞右移时，气体装载腔增大，微位移管气体导入该腔，当活塞左移时，气体装载腔缩小，腔内气体导入微位移管； 

活塞107，分隔气体装载腔和液体装载腔，并直接感受被测设备的微小位移量，并确保良好的运动性能和密封性能； 

液体装载腔108，装载不可压缩的液体，当活塞右移时，液体装载腔缩小，腔内液体流入微位移管，当活塞左移时，气体装载腔增大，微位移管中液体流入该腔； 

液体缓冲器109，缓冲液体装载腔与微位移管之间流动的液体，避免形成脉冲压力，影响检测结果； 

微行程管110，一头与液体装载腔相通，另一头与气体装载腔相通，中间穿 电阻丝，检测过程中，通过检测管中液位对应电阻值的变化，来实现微小位移的检测； 

电阻丝抽头管111，电阻丝出口，确保气体、液体的密封，同时提供电阻丝出口形成电阻/电压检测电路； 

电阻丝112，细金属丝，阻值随液体浸泡长短而变化； 

微位移显示装置113，显示检测的微位移结果，方便观察与记录； 

行程管液位/电阻转换装置114，把检测的电阻丝的值转化为微行程管的液位值，并进一步根据缸径与微行程管管径之比，换算出微位移量，把该微位移量送微位移显示装置进行显示。 

如图1所示，检测过程中，活塞式高精度微位移传感器实现步骤如下： 

步骤1：检测对象为微小位移，如固定导轨101上的运动滑块102的微小位移运动。检测过程中首先把气缸缸体105固定，气缸活塞杆104头部的连接法兰103与机床、微电子、机器人等机械微位移运动部件102连接，形成一个微位移可测量的检测系统； 

步骤2：微位移运动部件(运动滑块102)发生微小位移时通过活塞杆104推动活塞107在气缸缸体内运动，运动过程中，液体装载腔108缩小，则气体装载腔106扩大，对应运动滑块102向右侧运动，反之，对应运动滑块102向左侧运动； 

步骤3：如果运动滑块102向右侧运动，则液体通过液体缓冲器109从液体装载腔108流入微行程管110中，微行程管110中的空气导入气体装载腔106，液体在微行程管110中移动导致电阻丝112的阻值变大，通过检测电阻丝112的阻值大小实现对微位移信息的检测； 

步骤4：如果运动滑块102向左侧运动，则液体通过缓冲器109从微行程管110流入液体装载腔108中，气体装载腔106中的空气导入微行程管110。液体在微行程管110中移动导致电阻丝112的阻值变小，通过检测电阻丝112的阻值大小实现对微位移信息的检测。 

步骤5：行程管液位/电阻转换装置114采集阻值变化对应的电压信号，并转化为对应的微位移信息，该微位移信息最终可在微位移显示装置113中显示出数值。 

Claims (4)

1.一种活塞式高精度微位移传感器，其特征在于：包括气缸缸体(105)、连接法兰(103)、微行程管(110)；其中气缸缸体(105)被活塞(107)分成气体装载腔(106)和液体装载腔(108)两个腔；连接法兰(103)位于气体装载腔(106)一侧，并通过气缸活塞杆(104)与活塞(107)相连；液体装载腔(108)经过液体缓冲器(109)与微行程管(110)一端相连通，气体装载腔(106)与微行程管(110)另一端相连通；微行程管(110)内装有电阻丝(112)，该电阻丝(112)与一电源形成检测电路。

2.根据权利要求1所述的活塞式高精度微位移传感器，其特征在于：所述电阻丝(112)两端并联有行程管液位/电阻转换装置(114)，行程管液位/电阻转换装置(114)与微位移显示装置(113)相连。

3.利用权利要求1所述活塞式高精度微位移传感器的微位移检测方法，其特征在于包括以下过程：

(a)、把气缸缸体(105)固定，连接法兰(103)与待测微运动部件连接，形成一个微位移可测量的检测系统；

(b)、待测微运动部件发生微小位移时通过活塞杆(104)推动活塞(107)在气缸缸体内运动；

(c)、如果活塞(107)向液体装载腔(108)一侧运动，则液体通过液体缓冲器(109)流入微行程管(110)中，微行程管中的空气导入气体装载腔(106)；如果活塞(107)向气体装载腔(106)一侧运动，则微行程管中的液体通过液体缓冲器(109)流入液体装载腔(108)，气体装载腔(106)中的空气导入微行程管；

(d)、活塞(107)作用下的液体在微行程管(110)中移动导致电阻丝(112)的阻值变化，检测电阻丝(112)的阻值大小实现对微位移信息的检测。

4.根据权利要求3所述微位移检测方法，其特征在于还包括以下过程：

利用行程管液位/电阻转换装置(114)采集电阻丝(112)两端电压信号，并转化为对应的微位移信息，并通过微位移显示装置(113)显示出数值。 

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