CN109870107B - 一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置。该装置包括位移平台，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；动平台上安装有第一反射镜，静平台上安装有第二反射镜；动平台运动使得激光干涉仪发射的激光经第一反射镜和第二反射镜的反射后产生变化的干涉条纹；位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者，激光干涉仪、单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者与激光干涉仪相互标定。
Description
技术领域
本公开属于传感器技术领域，尤其涉及一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着科学技术的发展，越来越多的设备或装置广泛运用了位移传感器作测量，同时对于位移传感器提出了更高的要求。位移传感器的标定作为传感器领域的核心技术之一，对于传感器测量精确度有着至关重要的影响。
目前，主要的纳米位移传感器包括激光干涉仪、光栅位移传感器、单极电容传感器和双极电容传感器。激光干涉仪以光波为载体，具有测量精度高、测量速度快、测量范围大、最高测速下分辨率高等特点；光栅位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点；单极板电容传感器拥有单一的通道，能够测量任何导电目标，且成本较低；双极电容传感器的两个传感器极板形成了一个平行板电容器，拥有纳米分辨率和零磁滞的特性。
对于纳米位移传感器的标定，标定装置起着重要的角色。标定装置本身尺寸的大小、行程、分辨率、稳定性、易用性都会影响传感器最终的标定质量。发明人发现，目前纳米位移传感器标定装置或体积过大、或行程不足、或分辨率过低、或结构复杂，不适用于纳米级位移传感器的标定，更不能实现多种纳米传感器间的相互标定。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提供一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，可实现对于传感器行程、分辨率等多种性能的精确测试，同时可实现多种纳米传感器间的相互标定，并做到结构紧凑、功能丰富。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，包括：
位移平台，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；
动平台上安装有第一反射镜，静平台上安装有第二反射镜；动平台运动使得激光干涉仪发射的激光经第一反射镜和第二反射镜的反射后产生变化的干涉条纹；位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者，激光干涉仪、单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者与激光干涉仪相互标定；
其中，单极电容传感器可设置于静平台上；光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头构成，标尺光栅可固定于动平台上，光栅读数头可固定于静平台上；双极电容传感器由第一极板和第二极板构成，第一极板可设置于直进式微分头尾部，直进式微分头固定于静平台上，第二极板可设置于与直进式微分头的尾部相对的动平台上。
本公开提供的另一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，包括：
位移平台和激光干涉仪，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；
位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少两者，单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中至少两者之间相互标定；
其中，单极电容传感器可设置于静平台上；光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头构成，标尺光栅可固定于动平台上，光栅读数头可固定于静平台上；双极电容传感器由第一极板和第二极板构成，第一极板可设置于直进式微分头尾部，直进式微分头固定于静平台上，第二极板可设置于与直进式微分头的尾部相对的动平台上。
本公开的有益效果是：
本公开在较小的尺寸空间内拥有紧凑的结构，通过精密定位平台纳米级的定位精度可为标定结果提供极高的精确度。
本公开的该装置通过巧妙的结构设计，避免了测量干涉，可实现多种纳米传感器间的相互标定，即通过较高精度的位移传感器标定较低精度的位移传感器。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例提供的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置的立体图。
图2是本公开实施例提供的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置的主视图。
图3是本公开实施例提供的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置的中平台主体的俯视图。
其中，1.气浮平台；2.位移平台；3.动平台镜架；4.静平台镜架；5.第二反射镜；6.激光干涉仪支架；7.激光干涉仪；8.微分头支座；9.直进式微分头；10.光栅读数头；11.标尺光栅；12.压电器件；13.单极电容传感器预留孔；14.第一定位凸台；15.第二定位凸台。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
本实施例以位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器这三种传感器。
如图1-图3所示，本实施例提供的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，包括：位移平台2，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件12用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；
具体地，位移平台2设置在气浮平台1上，气浮平台1上还设置有激光干涉仪7。
如图1-图3所示，静平台中设置有开孔，动平台设置于开孔内。
动平台上安装有第一反射镜，静平台上安装有第二反射镜5；动平台运动使得激光干涉仪发射的激光经第一反射镜和第二反射镜的反射后产生变化的干涉条纹；位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器，激光干涉仪、单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者与激光干涉仪相互标定；
其中，单极电容传感器设置于静平台上；光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头构成，标尺光栅固定于动平台上，光栅读数头固定于静平台上；双极电容传感器由第一极板和第二极板构成，第一极板设置于直进式微分头尾部，直进式微分头固定于静平台上，第二极板设置于与直进式微分头的尾部相对的动平台上。
其中，气浮平台有气浮(XYZ)线轨平台与气浮(旋转)转台两类。气浮平台的核心原理是由空气轴承结合电控元件构成的精密位移平台。空气轴承按照运动方式分为：平面空气轴承(气浮垫)、气浮导轨、气浮主轴三大类。例如：北京牧风科技生产的气浮平台在800*800的移动范围内，位移精度误差可以达到μ级以内的超高精度。
作为一种可选实施方式，双极电容传感器的两个传感器极板，其中一个通过两液混合硬化胶粘接在直进式微分头上，另一个粘接在动平台镜架的背面，并使两个极板平行且中心在同一水平线上。
可以理解的，压电器件包括但不限于压电陶瓷。
在具体实施中，动平台的运动引起动平台镜架3的运动；
如图3所示，动平台镜架3的运动使得标尺光栅11与光栅读数头10之间产生相对运动，光栅位移传感器可实时读出动平台的位移变化数据；
动平台镜架3的运动使得单极电容传感器与动平台间的间隙发生变化，单极电容传感器可实时读出动平台的位移变化数据；
动平台镜架3的运动使得动平台镜架3上的第一反射镜反射回的激光与静平台镜架4上的第二反射镜5反射回的激光干涉条纹发生变化，激光干涉仪7可通过干涉条纹的变化实时读出动平台的位移变化数据；
如图2所示，通过旋转直进式微分头9的尾部可精细调节双极电容传感器间隙，双极电容传感器的间隙位于微分头上和动平台镜架背面的两个极板间的间隙，且应处于合适的范围内。动平台镜架3的运动使得两个极板间的间隙发生变化，从而导致电容发生变化，双极电容传感器可实时读出动平台的位移变化数据。
本实施例的位移平台为单自由度直梁型柔性铰链机构，由压电器件驱动桥式位移放大机构，再推动动平台运动，可实现纳米级精确定位，同时可搭载标准光栅位移传感器、激光干涉仪、单极电容传感器和双极电容传感器，并进行相互标定。
本实施例的用于多种纳米传感器间相互标定的装置由压电器件驱动，柔性机构提供精密运动的能力。当压电器件通电伸长时，桥式位移放大机构将产生变形，输出端将输出数倍于压电器件的伸长量以推动动平台，且动平台具有纳米级的运动精度，能够满足检测其位移信号的传感器要求。
以电容位移传感器的标定为例：
在标定过程中，使用已被准确标定的激光位移传感器作标准传感器，两个传感器均对标定装置的位移信号进行实时采集，将电容位移传感器采集的信号与激光位移传感器采集的信号进行对比，从而得出电容位移传感器输入输出关系和精度等性能值，这样便借助标定装置和激光位移传感器完成了电容位移传感器的标定。多种传感器间相互标定的工作原理亦然。
作为一种实施方式，动平台上安装有动平台镜架3，第一反射镜安装在动平台镜架上；静平台上安装有静平台镜架4，第二反射镜5安装在静平台镜架4上。
在本实施例中动平台镜架通过螺栓固定于动平台上，静平台镜架通过螺栓固定于静平台上。
需要说明的，动平台镜架和静平台镜架还可通过其他固定方式，比如焊接、卡接等固定方式，本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。
作为一种实施方式，单极电容传感器可设置于静平台镜架上，单极电容传感器与动平台表面之间留设有间隙。
作为一种实施方式，静平台镜架4上设置有单极电容传感器预留孔13，单极电容传感器可插入单极电容传感器预留孔中。
在本实施例中，单极电容传感器插入单极电容传感器预留孔中，与动平台表面保持间隙，并通过紧定螺钉固定，保证准确识别动静平台之间的相对位移变化。
需要说明的，单极电容传感器还可通过其他固定方式与单极电容传感器预留孔固定，比如焊接固定方式，本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。
作为一种实施方式，直进式微分头9固定于微分头支座8上，微分头支座8固定于静平台上。
在本实施例中，直进式微分头9和单极电容传感器均为轴孔间隙配合，以保证标定过程中的稳定性。
微分头支座通过螺栓固定在静平台上。
需要说明的，微分头支座还可通过其他固定方式，比如焊接、卡接等固定方式，本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。
作为一种实施方式，直进式微分头支架和动平台镜架均设置有定位凸台，以保证相互之间平行度；
具体地，如图2所示，微分头支座8上设置有第一定位凸台14，以保证微分头支座与动平台镜架之间的平行度。
动平台镜架3上设置有第二定位凸台15，以保证动平台镜架和静平台镜架之间的平行度。
作为一种实施方式，气浮平台1上固定有激光干涉仪支架6，激光干涉仪7固定在激光干涉仪支架6上。
在本实施例中，激光干涉仪支架通过螺栓固定在气浮平台。
需要说明的，激光干涉仪支架还可通过其他固定方式，比如焊接、卡接等固定方式，本领域技术人员可以根据具体情况自行选择，在此不作详述。
在另一实施例，还提供了一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，包括：
位移平台和激光干涉仪，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；
位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少两者，单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中至少两者之间相互标定；
其中，单极电容传感器可设置于静平台上；光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头构成，标尺光栅可固定于动平台上，光栅读数头可固定于静平台上；双极电容传感器由第一极板和第二极板构成，第一极板可设置于直进式微分头尾部，直进式微分头固定于静平台上，第二极板可设置于与直进式微分头的尾部相对的动平台上。
作为一种可选实施方式，直进式微分头固定于微分头支座上，微分头支座固定于静平台上。
本实施例的用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，机构紧凑、性能稳定，能够实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中至少两者之间相互标定。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，包括：
位移平台，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；
动平台上安装有第一反射镜，静平台上安装有第二反射镜；动平台运动使得激光干涉仪发射的激光经第一反射镜和第二反射镜的反射后产生变化的干涉条纹；位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者，激光干涉仪、单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少一者与激光干涉仪相互标定；
其中，单极电容传感器可设置于静平台上；光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头构成，标尺光栅可固定于动平台上，光栅读数头可固定于静平台上；双极电容传感器由第一极板和第二极板构成，第一极板可设置于直进式微分头尾部，直进式微分头固定于静平台上，第二极板可设置于与直进式微分头的尾部相对的动平台上。
2.如权利要求1所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，动平台上安装有动平台镜架，第一反射镜安装在动平台镜架上；静平台上安装有静平台镜架，第二反射镜安装在静平台镜架上。
3.如权利要求2所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，单极电容传感器可设置于静平台镜架上，单极电容传感器与动平台表面之间留设有间隙。
4.如权利要求1所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，直进式微分头固定于微分头支座上，微分头支座固定于静平台上。
5.如权利要求4所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，微分头支座上设置有第一定位凸台，以保证微分头支座与动平台镜架之间的平行度。
6.如权利要求2所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，动平台镜架上设置有第二定位凸台，以保证动平台镜架和静平台镜架之间的平行度。
7.如权利要求1所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，所述位移平台和激光干涉仪设置于气浮平台上；气浮平台上固定有激光干涉仪支架，激光干涉仪固定在激光干涉仪支架上。
8.如权利要求2所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，静平台镜架上设置有单极电容传感器预留孔，单极电容传感器可插入单极电容传感器预留孔中。
9.一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，包括：
位移平台和激光干涉仪，所述位移平台包括动平台和静平台，动平台与压电器件相连；压电器件用于将控制电压转化为驱动力以驱动动平台运动；
位移平台上设置有单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中的至少两者，单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器均可获得动平台位移变化数据，进而实现单极电容传感器、光栅位移传感器和双极电容传感器中至少两者之间相互标定；
其中，单极电容传感器可设置于静平台上；光栅位移传感器由标尺光栅和光栅读数头构成，标尺光栅可固定于动平台上，光栅读数头可固定于静平台上；双极电容传感器由第一极板和第二极板构成，第一极板可设置于直进式微分头尾部，直进式微分头固定于静平台上，第二极板可设置于与直进式微分头的尾部相对的动平台上。
10.如权利要求9所述的一种用于多种纳米位移传感器间相互标定的装置，其特征在于，直进式微分头固定于微分头支座上，微分头支座固定于静平台上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220411 Address after: 276800 Room 101, floor 1, building 15, new generation information technology industrial park, high tech Zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee after: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. Address before: 100096 Room 301, unit 6, building 1, longxiyuan District 2, Huilongguan town, Changping District, Beijing Patentee before: BEIJING TONGCHUANG WEINA TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A device for mutual calibration of various nano displacement sensors Effective date of registration: 20220613 Granted publication date: 20210101 Pledgee: Rizhao Gaosheng Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007667 |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 276800 Room 101, floor 1, building 15, new generation information technology industrial park, high tech Zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee after: Ami Precision Control Technology (Shandong) Co.,Ltd. Address before: 276800 Room 101, floor 1, building 15, new generation information technology industrial park, high tech Zone, Rizhao City, Shandong Province Patentee before: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230809 Granted publication date: 20210101 Pledgee: Rizhao Gaosheng Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Rizhao AMI Precision Control Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980007667 |