CN108827162A - 基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法 - Google Patents

基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法。本发明中支架一端固定在光学平台上，F‑P标准具干涉测量系统放置在其上方，面阵器件布置在F‑P标准具干涉测量系统前且处于同一光轴中用于干涉成像，应力加载系统改变应力F的大小，电容传感器探头通过检测电容的变化量，从而根据电路模块得到矩形等截面梁的形变量。用F‑P标准具干涉测量系统和电容传感器得到相应的位移量，通过对二者线性度曲线的比较完成F‑P标准具微位移测量系统的线性度比对。本发明具有检测精度高，可同步完成两种方法的测量，适用于高准确度微位移测量系统的线性度比对。

Description

基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性 度比对装置和方法
技术领域
本发明涉及微位移测量系统的线性度比对装置和方法，具体涉及基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法。
背景技术
微位移技术作为精密机械与精密仪器的关键技术之一，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来，同时高准确度的微位移测量系统也越来越成为各领域特别是军事领域技术不断进步的制约因素。微位移的测量同时也被广泛地应用于生活和生产中，其应用范围要求测量具有精度高，非接触、实时监测等特点。微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键技术。特别是纳米技术的飞速发展，使微位移的精度要求由微米级而上升到纳米级。
通过F-P标准具干涉成像可以实现微位移的测量，利用干涉成像的位置变化导致的CCD上干涉圆环圆心点位置的改变，完成纳米级的微位移测量。由于CCD发生的位移很小，需要确定干涉圆环圆心位移量的准确性，所以现在需要一种用于F-P标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置，包括F-P标准具干涉测量系统、面阵器件、 支架、矩形等截面梁、应力加载系统、电容传感器探头和传感器探头固定模块。
F-P标准具干涉测量系统放置在支架上方，面阵器件布置在F-P标准具干涉测量系统前且与F-P标准具干涉测量系统处于同一光轴中用于成像，应力加载系统通过对应力F的改变从而改变矩形等截面梁的形变量，电容传感器探头由探头固定模块固定在矩形等截面梁的正上方，用以感受悬臂的形变量。
所述的矩形等截面梁在其受力点处有一个小凹槽，其大小可以刚好卡入一根钢丝线，保证小凹槽和钢丝线之间不会发生相对滑动，且在该矩形等截面梁上的电容传感器探头感应区域贴有一块无任何缺陷且平整度小于0.05μm/mm的液晶平板玻璃。
所述的支架一端固定在光学平台上，另一端用于放置F-P标准具干涉测量系统，且在支架上位于矩形等截面梁的受力点正下方处存在一个圆柱型空心，保证从上方悬挂下来的钢丝线和支架之间不产生接触。
所述的应力加载系统包括一端悬挂在矩形等截面梁上小凹槽处的钢丝线，另一端穿过支架中的圆柱型空心处后与下方的浮子连接，浮子放置于盛有水且水面上铺有油层（最大程度的减小水蒸发所带来的实验误差）的烧杯容器，通过螺旋机构起降台改变烧杯容器的位置，从而改变浮子所受的浮力大小，使得矩形等截面梁所受的应力F的大小改变，数字天平放置在烧杯容器和螺旋机构起降台中间，用于测量浮力变化大小。
所述的传感器探头固定模块包括立柱、滑块、支架、紧固件和内六角螺钉，内六角螺钉将表面光滑的立柱固定在光学平台上，滑块可在立柱上上下滑动，紧固件用于将滑块紧固在立式支架上，支架一端固定在滑块上，另一端用来安装电容传感器探头。
基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对方法：当应力加载系统使作用于矩形等截面梁端面上的应力F大小发生变化时，使得端面上面阵器件的位置发生变化，从而改变干涉圆环在面阵器件上的成像位置，利用应力变化前后干涉圆环第11-15环圆心坐标的均值的变化来计算位移的变化量；同时根据电容传感器探头感受到的电容变化量，经信号调理检测电路之后转变为电信号输出，从而获得位移量；以应力变化为横坐标，以圆心位置变化量与位移量为因变量画出各自的线性曲线，通过对两条曲线的比较，完成线性度的比对。
本发明的有益效果：
本发明解决了基于F-P标准具测量微位移的线性比对问题，验证了利用F-P标准具这一经典的光学器件可以完成纳米级高准确度的微位移测量。
附图说明
图1是本发明的整体装置示意图。
图2是本发明的应力加载系统示意图。
图3是本发明的电容传感器信号处理流程图。
图中：1、汞灯光源，2、柔性光纤，3、F-P标准具，4、透射物镜，5、F-P干涉测量系统，6、面阵器件，7、支架，8、矩形等截面梁，9、应力加载系统，10、立柱，11、滑块，12、支架，13、电容传感器探头，14、紧固件，15、液晶平板玻璃，16、内六角螺钉，17、传感器探头固定模块，18、光学隔振平台，19、细钢丝线，20、浮子，21、烧杯容器，22、数字天平，23、螺旋机构起降台。
具体实施方式
如图1所示，本发明的测量装置包括F-P标准具干涉测量系统5、面阵器件6、 支架7、矩形等截面梁8、应力加载系统9、电容传感器探头13和传感器探头固定模块17。支架7一端固定在光学平台18上，另一端用于放置F-P标准具干涉测量系统5；面阵器件6长边与水平方向平行固定在矩形等截面梁8上，且其接收表面与F-P标准具干涉测量系统5的光轴垂直；矩形等截面梁8的长度约为1.5m，一端以矩形等截面梁结构固定在光学隔振平台18上，且在电容传感器探头感应区域贴有一块无任何缺陷且平整度小于0.05μm/mm的液晶平板玻璃；应力F的大小通过应力加载系统9来改变。
F-P标准具干涉测量系统5包括依次包括汞灯光源1、柔性光纤2、F-P标准具3、透射物镜4，F-P标准具3内部两块镜面板的间距为2mm，透射物镜4焦距在20~150mm范围内。汞灯光源1发出的光束由光纤传输到F-P标准具3前，并在其出射面上产生系列标准圆锥光束，系列标准圆锥光束经透射物镜4后成像在面阵器件6。
矩形等截面梁8在其受力点处有一个小凹槽，其大小可以刚好卡入一根钢丝线，保证小凹槽和钢丝线之间不会发生相对滑动。
支架7在矩形等截面梁8的受力点正下方处存在一个直径约为15mm圆柱型空心，保证从上方悬挂下来的钢丝线和支架之间不产生接触。
传感器探头固定模块17包括立柱10、滑块11、支架12、紧固件14和内六角螺钉16，内六角螺钉16将表面光滑的立柱10固定在光学平台18上，滑块11可在立柱10上上下滑动，紧固件14用于将滑块11紧固在立式支架10上，支架12一端固定在滑块11上，另一端用来安装电容传感器探头13。
如图2所示，应力加载系统9包括细钢丝线19、浮子20、容器烧杯21、数字天平22以及螺旋机构起降台23，所述的数字天平22的线性度为10-5。用一个钢丝线19一端悬挂在矩形等截面梁8上小凹槽处，另一端穿过支架7中的圆柱型空心处后与下方的浮子20连接，浮子20放进一个盛有水的烧杯容器21中（无盖），水上方铺上一层油面（最大程度的减小水蒸发所带来的实验误差），容器21放置在数字天平22托盘上。数字天平22下方有一个螺旋机构起降台23，通过改变起降台23的位置来改变浮力的大小，从而改变应力F的大小。
如图3所示，电容传感器探头检测出的电容变化量经转换电路、整流滤波电路和解调之后由电信号输出，计算机根据电信号与位移量的线性关系进行实时处理，动态显示微位移的变化量。
线性度比对方法：当应力加载系统9使作用于矩形等截面梁8端面上的应力F大小发生变化时，使得端面上面阵器件6的位置发生变化，从而改变干涉圆环在面阵器件6上的成像位置，利用应力变化前后干涉圆环第11-15环圆心坐标的均值的变化来计算位移的变化量；同时根据电容传感器探头感受到的电容变化量，经信号调理检测电路之后转变为电信号输出，从而获得位移量；以应力变化为横坐标，以圆心位置变化量与位移量为因变量画出各自的线性曲线，通过对两条曲线的比较，完成线性度的比对。

Claims (6)

1.基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法，包括F-P标准具干涉测量系统（5）、面阵器件（6）、 支架（7）、矩形等截面梁（8）、应力加载系统（9）、电容传感器探头（13）和传感器探头固定模块（17）。其特征在于：
F-P标准具干涉测量系统（5）放置在支架（7）上方，面阵器件（6）放置在F-P标准具干涉测量系统（5）前且与F-P标准具干涉测量系统（5）处于同一光轴中用于成像，应力加载系统（9）通过对应力F的改变从而改变矩形等截面梁（8）的形变量，电容传感器探头（13）由探头固定模块（17）固定在矩形等截面梁（8）的正上方，用以感受矩形等截面梁（8）的形变量。
2.根据权利要求1所述的基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置，其特征在于：所述的矩形等截面梁（8）在其受力点处有一个小凹槽，其大小可以刚好卡入一根钢丝线，且在该矩形等截面梁（8）上的电容传感器探头感应区域贴有一块无任何缺陷且平整度小于0.05μm/mm的液晶平板玻璃（15）。
3.根据权利要求1所述的基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置，其特征在于：所述的支架（7）在矩形等截面梁（8）的受力点正下方处存在一个圆柱型空心。
4.根据权利要求1所述的基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置，其特征在于：所述的应力加载系统（9）包括一端悬挂在矩形等截面梁（8）上小凹槽处的钢丝线（19），另一端穿过支架（7）中的圆柱型空心处后与下方的浮子（20）连接，浮子（20）放置于盛有水且水面上铺有油层的烧杯容器（21），通过螺旋机构起降台（23）改变烧杯容器（21）的位置，从而改变浮子（20）所受的浮力大小，使得矩形等截面梁（8）所受的应力F的大小改变，数字天平（22）用于测量浮力变化大小。
5.根据权利要求1所述的基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置，其特征在于：所述的传感器探头固定模块（17）包括立柱（10）、滑块（11）、支架（12）、紧固件（14）和内六角螺钉（16），内六角螺钉（16）将表面光滑的立柱（10）固定在光学平台（18）上，滑块（11）可在立柱（10）上上下滑动，紧固件（14）用于将滑块（11）紧固在立式支架（10）上，支架（12）一端固定在滑块（11）上，另一端用来安装电容传感器探头（13）。
6.基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对方法，其特征在于：采用权利要求1所述装置，当应力加载系统（9）使作用于矩形等截面梁（8）端面上的应力F大小发生变化时，端面上面阵器件（6）的位置发生变化，从而改变干涉圆环在面阵器件（6）上的成像位置，利用应力变化前后干涉圆环第11-15环圆心坐标的均值的变化来计算位移的变化量；同时根据电容传感器探头（13）感受到的电容变化量，经信号调理检测电路之后转变为电信号输出，从而获得位移量；以应力变化为横坐标，以圆心位置变化量与电容传感器位移量为因变量画出各自的线性曲线，通过对两条曲线的比较，完成线性度的比对。
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