CN108955543A - 基于悬臂梁应变的f-p微位移测量系统线性度比对装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于悬臂梁应变测量的F‑P标准具微位移测量系统的线性度比对装置与方法。包括面阵器件、F‑P标准具干涉测量系统、应力加载系统、矩形等截面梁、悬臂梁固定结构和支架。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；面阵器件固定在矩形等截面梁上，矩形等截面梁的一端用悬臂梁固定结构固定在光学隔振平台上；通过应力加载系统改变应力F的大小，用F‑P标准具干涉测量系统和悬臂梁挠度计算公式计算相应的位移量，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。本发明具有测量运算简单，测量精细，准确度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及微位移测量系统线性度比对装置和方法，尤其涉及基于悬臂梁应变测量的F-P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
位移是最基本的几何参量之一，其准确测量对人们从事各领域的研究和促进科学进步有十分重要的意义。一方面，与其它机械量相比，位移容易检测，且检测准确度高，所以常将被测对象的物理量转换为位移来检测；另一方面，随着精密、超精密及微细加工技术的迅猛发展，零件尺寸越来越小，加工精度要求越来越高，对微位移的测量分辨率和准确度提出了更高要求。测量是对加工的支持，无论多么精密的加工，都必须用更为精密的测量技术作保障。因此在超精密加工中，作为超精加工的重要基础，位移量的精密测量、超精密测量将成为整个加工体系中一项至为关键的技术。目前超精加工和超微加工在国际上已进入了纳米技术的新时代，对微小位移量及微小物体几何形状测量的要求已不再局限于微米、亚微米量级，而是达到了纳米、亚纳米量级。传统的机械法、光学法、电学法、气动法等，一般设计时只考虑微米级测量的需要，不加改进已很难适应纳米级测量的需要。现代精密加工要求位移测量技术能在比较宽的量程上有极高的分辨率和很高的准确度，因此须研究开发新的纳米级位移测量技术。
通过F-P标准具干涉成像可以实现微位移的测量，利用CCD中心点位置的改变，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CCD位置移动的准确性，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悬臂梁应变测量的F-P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。
基于悬臂梁应变测量的F-P标准具微位移测量系统的线性度比对装置,包括面阵器件、F-P标准具干涉测量系统、应力加载系统、矩形等截面梁、悬臂梁固定结构和支架。
支架一端固定在光学隔振平台上，另一端用于放置F-P标准具干涉测量系统，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，悬臂梁固定结构将矩形等截面梁以悬臂梁结构固定，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端面的形变大小。
所述的F-P标准具干涉测量系统依次包括激光光源、扩束镜、毛玻璃、F-P标准具和透射物镜；激光光源发出的光束通过扩束镜后变成平行光，平行光经过毛玻璃后更加均匀的进入F-P标准具，光束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后成像在面阵器件；面阵器件的接收表面与F-P标准具干涉测量系统的光轴垂直，并固定在矩形等截面梁的自由端且位于透射物镜的焦平面上。
所述的悬臂梁固定结构包括固定在光学平台上的V形槽、放置在V形槽上的光洁度非常好的圆柱销、将矩形等截面梁用一块压板压住，且压板需要压过两个圆柱销的中心，保证圆柱的线与矩形等截面梁接触，最后用4枚带有双层弹簧垫圈的螺钉紧固住矩形等截面梁。
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。
所述的支架在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。
基于悬臂梁应变测量的F-P标准具微位移测量系统的线性度比对：当应力加载系统使作用于矩形等截面梁端面上的应力F发生变化时，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；矩形等截面梁自由端应变大小用公式
计算（需要修正圆柱与矩形截面之间接触变形所产生的应力变化影响），其中F为所加的应力大小，l为加载的有效距离，EI是金属杆的弯曲刚度；F-P干涉测量系统利用应力变化前后干涉圆环圆心位置的变化来计算位移的变化量；以应力变化为横坐标，以圆心位置变化量与应变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。
图中：1、激光光源，2、扩束镜，3、毛玻璃，4、F-P标准具，5、透射物镜，6、F-P干涉测量系统，7、面阵器件，8、支架，9、矩形等截面梁，10、带有弹簧垫圈的螺钉，11、压板，12、V形槽，13、圆柱销，14、悬臂梁固定结构，15、应力加载系统，16、光学隔振平台，17、钢丝线，18、浮子，19、烧杯容器，20、电子天平，21、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6、面阵器件7、支架8、矩形等截面梁9、悬臂梁固定结构14和应力加载系统15。支架8一端固定在光学隔振平台16上，另一端用于放置F-P标准具干涉测量系统6；面阵器件7长边与水平方向平行固定在矩形等截面梁9上，所述的矩形等截面梁9长度约为1.5m，其接收表面与F-P标准具干涉测量系统6的光轴垂直；矩形等截面梁9的一端用悬臂梁固定结构14固定在光学隔振平台16上；应力F的大小通过应力加载系统15来改变。
F-P标准具干涉测量系统6包括依次包括激光光源1、扩束镜2、毛玻璃3、F-P标准具4和透射物镜5，所述的F-P标准具4内部两块镜面板的间距为2mm，所述的透射物镜焦距在20~150mm范围内。激光光源1发出的光束通过扩束镜2变成平行光，平行光经过毛玻璃3后均匀的进入F-P标准具4，光束在F-P标准具4出射面上产生系列标准圆锥光束，最后经透射物镜5后成像在面阵器件7。
悬臂梁固定结构14包括带有弹簧垫圈的螺钉10、压板11、V形槽12、圆柱销13，所述的带有弹簧垫圈的螺钉8为M16，所述的圆柱销13用长度为68mm，光洁度非常好的现成圆柱。用两个V形槽12固定在光学隔振平台16上，将两个圆柱销13放置在V形槽12中，矩形等截面梁9压在圆柱销13上方并产生接触，在矩形等截面梁9上方用一块长为20mm，宽为20mm的压板11将其压住，且压板要压过第二个圆柱销的中心，最后用4个长度为100mm带有双层弹簧垫圈的M16螺钉10将整个结构固定，保证圆柱的线与矩形等截面梁接触。
矩形等截面梁9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8在矩形等截面梁9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。
如图2所示，应力加载系统15包括钢丝17、浮子18、容器烧杯19、数字天平20以及螺旋机构起降台21，所述的数字天平20的线性度为10-5。用一个钢丝线17一端悬挂在矩形等截面梁9上小凹槽处，另一端穿过支架8中的圆柱型空心处后与下方的浮子18连接，浮子18放进一个盛有水的烧杯容器19中（无盖），水上方铺上一层油面，容器19放置在数字天平20托盘上。数字天平20下方有一个螺旋机构起降台21，通过改变起降台21的位置来改变浮力的大小，从而改变应力的大小。
线性度比对方法：当应力加载系统15使作用于矩形等截面梁9端面上的应力F发生变化时，端面上面阵器件7的位置发生变化，从而改变干涉圆环在面阵器件7上的成像位置；矩形等截面梁9自由端的应变大小用公式
计算（需要修正固定端圆柱与矩形截面之间接触变形所产生的应力变化的影响），其中F为所加的应力大小，l为加载的有效距离，EI是金属杆的弯曲刚度；F-P干涉测量系统6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；以应力变化为横坐标，以圆心位置变化量与应变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 (7)
1.基于悬臂梁应变测量的F-P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（6）、面阵器件（7）、 支架（8）、矩形等截面梁（9）、悬臂梁固定结构（14）和应力加载系统（15）。其特征在于：
支架（8）一端固定在光学隔振平台（16）上，另一端用于放置F-P标准具干涉测量系统（6），面阵器件（7）布置在F-P标准具干涉测量系统（6）前且与F-P标准具干涉测量系统（6）处于同一光轴中用于成像，悬臂梁固定结构（14）将矩形等截面梁（9）以悬臂梁结构固定，应力加载系统（15）通过对应力F的改变从而改变矩形等截面梁（9）端面的形变大小。
2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁应变测量的F-P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F-P标准具干涉测量系统（6）依次包括激光光源（1）、扩束镜（2）、毛玻璃（3）、F-P标准具（4）和透射物镜（5），扩束镜（2）将激光光源（1）发出的光束变成平行光，平行光经过毛玻璃（3）后均匀的进入F-P标准具（4），光束在F-P标准具（4）出射面上产生系列标准圆锥光束，最后经透射物镜（5）后成像在面阵器件（7）。
3.根据权利要求1所述的基于悬臂梁应变测量的F-P标准具微位移测量系统的线性度比对装置，其特征在于：所述的悬臂梁固定结构（14）包括固定在光学平台（16）上的V形槽（12），放置在V形槽（12）上的光洁度非常好的圆柱销（13）以及用于紧固矩形等截面梁（9）的带有双层弹簧垫圈的螺钉（10）和压板（11）。
4.根据权利要求1所述的基于悬臂梁应变测量的F-P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（9）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。
5.根据权利要求1所述的基于悬臂梁应变测量的F-P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（8）在矩形等截面梁（9）的受力点正下方处存在一个圆柱型空心。
6.根据权利要求1所述的基于悬臂梁应变测量的F-P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（15）包括一端悬挂在矩形等截面梁（9）上小凹槽处的钢丝线（17），另一端穿过支架（8）中的圆柱型空心处后与下方的浮子（18）连接，浮子（18）放置于盛有水且水面上铺有油层的烧杯容器（19），通过螺旋机构起降台（21）改变烧杯容器（19）的位置，从而改变浮子（18）所受的浮力大小，使得矩形等截面梁（9）所受的应力F的大小改变，数字天平（20）用于测量浮力变化大小。
7.基于悬臂梁应变测量的F-P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（15）使作用于矩形等截面梁（9）端面上的应力F发生变化时，端面上面阵器件（7）的位置发生变化，从而改变干涉圆环在面阵器件（7）上的成像位置；矩形等截面梁（9）自由端的应变大小用公式
计算（需要修正固定端圆柱与矩形截面之间接触变形所产生的应力变化的影响），其中F为所加的应力大小，l为加载的有效距离，EI是金属杆的弯曲刚度；F-P干涉测量系统（6）利用应力变化前后干涉圆环圆心位置的变化来计算位移的变化量；以应力变化为横坐标，以圆心位置变化量与应变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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