CN104897099B - 一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开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，涉及微结构面形质量检测技术领域。所述的传感器主要由测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块等组成；所述的测头模块由探针和探杆构成，可跟随被测样品表面的变化而移动，所述的测头支撑模块用来给测头模块提供径向支持力，所述的位移检测模块，用来测量测头的位移信息；所述的测量力控制模块包括衔铁、电磁铁和微拉压力传感器，可检测和控制测量力。本发明通过调节电磁力将测量力控制在某一范围，既可以保证探针与样品的良好接触，又不会损伤样品，提高了触针式位移传感器的测量精度。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。

Description

一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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(1)和探杆(2)，探针(1)安装在探杆(2)下端，探杆(2)设置在测头支承模块内。

所述的测头支撑模块包括非接触式轴承(3)和传感器基座(4)，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。

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。

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(8)，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。

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。

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0—15mm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。

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。

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G1及电磁铁(7)对衔铁(6)的电磁力F1的合力产生，如附图2所示，其大小的计算公式为：

∣F∣＝∣G1∣-∣F1∣ (1)

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(6)的电磁力F1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F1的大小，使测量力F趋于稳定。

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-F1(与F1大小相等方向相反)有关，其大小的计算公式为：

∣F2∣＝∣-F1∣+∣G2∣ (2)

由公式(1)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：

∣F∣＝∣G1∣+∣G2∣-∣F2∣ (3)

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G1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G1和G2的大小是固定不变的，因此不论怎样调节电磁力F1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。

本发明的有益效果

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：

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F1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。

说明附图

图1是本发明一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，整体结构图。

图2是本发明一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，测头模块及其连接器件的受力分析图。

图3是本发明一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，电磁铁受力分析图。

具体实施方式

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，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

在图1中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。所述的测头模块由探针(1)和探杆(2)连接构成，可跟随被测样品表面的形貌变化而移动；所述的测头支撑模块包括非接触式轴承(3)和传感器基座(4)，其中非接触式轴承(3)以磁悬浮轴承为例，探杆(2)表面涂有一层磁性材料与磁悬浮轴承(3)之间产生径向作用力，用来给测量探头提供径向支承；所述的位移检测模块包括读数头(5-1)和标尺光栅(5-2)，可读取测头模块的位移信息；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(8)；可检测和控制测量力的变化；所述的信号分析处理模块(11)以计算机为例，用来分析处理位移信号和测量力信号，并根据分析结果调整磁悬浮轴承(3)和电磁铁(7)的控制方案。

本发明所涉及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，在测量被测样品(14)的表面形貌之前，根据不同样品的材料和探针的受力强度可事先确定一个处于合理范围的测量力F，再由公式(3)得到一个与其对应的微拉压力传感器的测得值F2。测量开始后只要保证所述的微拉压力传感器的测得值F2不变就能保证测量力F不变。

测量开始时将被测样品(14)放在位移平台上，通过调整被测样品的位置使探针与样品的被测表面接触；确定接触后，观察微拉压力传感器(8)的测得值，如果测得值等于所述的F2，则继续下一步；如果测得值不等于所述的F2则通过线圈控制模块(10)调节电磁铁(7)中电流的大小改变电磁铁(7)与衔铁(6)之间的电磁力F1，直到所述的微拉压力传感器的测得值变为F2为止。

当微拉压力传感器(8)的测得值变为F2后，被测样品(14)在位移平台的驱动下发生移动，由于测头模块和被测样品(14)之间存在微小测量力F，所以测头模块将跟随被测样品(14)表面的微观峰谷起伏在竖直方向上下移动。测头模块发生移动后，所述的衔铁与电磁铁之间的间隙将会发生改变，引起电磁力F1的变化，从而引起微拉压力传感器中的测得力F2和测量力F的变化。此时所述的计算机会根据微拉压力传感器中测得值的改变量，控制所述的电磁铁中的电流发生相应的改变，使电磁力F1变为原先值，从而确保微拉压力传感器中的侧得力F2和测量力F保持不变。

在所述的测量力控制模块的调节作用下，可保证测量力F不会随着测头模块的移动而改变。在测量力不变的情况下，所述的测头模块的位移信号会通过所述的位移检测模块转换为电信号，再经过所述的位移信号采集模块传输到计算机(11)中，所述的计算机经过计算分析即可重构出样品表面微观形貌。

以上所述实例性说明中的非接触式轴承(3)采用磁悬浮轴承，探杆表面涂有一层磁性材料，信号分析处理模块(11)采用计算机，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明；凡在本发明的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一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；其特征是：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(1)和探杆(2)，探针(1)安装在探杆(2)下端，探杆(2)设置在测头支承模块内；所述的测头支撑模块包括非接触式轴承(3)和传感器基座(4)，所述的非接触式轴承安装在传感器基座(4)上，所述的非接触式轴承通过轴承控制模块(13)与信号分析处理模块(11)连接；所述的位移检测模块包括读数头(5-1)和标尺光栅(5-2)，所述的标尺光栅设置在探杆(2)上，可随着探杆移动，所述的读数头与标尺光栅(5-2)对应，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；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(8)，所述的电磁铁通过微拉压力传感器(8)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。

2.如权利要求1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，其特征是：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，拉力或压力信号通过与其相连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。

3.如权利要求1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，其特征是：所述的电磁铁为E形或螺管形电磁线圈，在所述的E形或螺管形电磁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)通过与其相连的线圈控制模块(10)提供。

4.如权利要求1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，其特征是：所述的衔铁固定在探杆(2)上，可跟随探杆在竖直方向移动，衔铁(6)与电磁铁(7)之间的电磁力同时受QZ漆包线中的控制电流及电磁铁(7)与衔铁(6)之间的气隙影响，其中电磁铁(7)与衔铁(6)之间的气隙变化范围为0—15mm。

5.如权利要求1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，其特征是：所述的测头支承模块包括传感器基座(4)和非接触式轴承(3)，所述的非接触式轴承为磁悬浮轴承或空气轴承，固定设置在传感器基座(4)内；所述的探杆活动设置在测头支承模块中，并与所述的非接触式轴承间留有间隙；若所述的非接触式轴承选用磁悬浮轴承则探杆表面需要涂有一层磁性材料，若选用空气轴承则探杆表面不需进行处理。

6.如权利要求1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，其特征是：所述的信号分析处理模块为单片机或计算机。