CN109917828A - 干涉差动位移法微小力控制系统 - Google Patents

干涉差动位移法微小力控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，属于精密测量技术领域。本发明主要由控制及信息输出模块、光学测量模块、微小力发生模块组成。控制及信息输出模块用于测量光学测量信号，微小力发生、解算、控制及信号的外部通讯。光学测量模块用于将测量值及计算控制值与微小力值建立相互的对应关系，综合计算输出微小力的数据。微小力发生模块利用静电力方法，采用梳齿结构提高静电力获得微小力值的分辨能力和范围。本发明能够在微小力值的多种环境条件，通过干涉方法准确微小力值发生的位移变化进而确定微小力值的大小。本发明具有较高适应性和准确性，结构紧凑。和量值度量。

Description

干涉差动位移法微小力控制系统
技术领域
本发明涉及一种干涉差动位移法微小力控制系统，属于精密测量技术领域。
背景技术
微小力值控制及测量广泛地应用于运动系统及精密测试技术领域，是目前高精度力值复现和应用的重要手段，在复杂结构和系统中具有十分重要的意义。微小力由于力值范围原因导致其控制、使用及测量困难，需要配合相应的特色结构、方法和设备才能够准确获得和使用。微小力值的产生与复现可以通过精密致动器或精细的弹性结构变形等方式实现，这些方法的实现都需要精密的量值测量与反馈系统作为准确微小力值发生。目前应用的微小力值控制系统复杂，集成度和使用的灵活性差，存在实际使用准确力值的条件无法满足需要。根据弹性结构特点，将结构变化的位移量和微小力值建立起精确对应关系，通过准确测量位移变化量来实现微小力值发生与控制，可以从原理上提高微小力值的重复控制和量值度量。
发明内容
为了解决现有微小力值控制系统及测量中力值难于控制和复现的问题，本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统要解决的技术问题是：提供一种利用弹性原理的干涉差动位移法微小力控制系统，能够在微小力值的多种环境条件，通过干涉方法准确微小力值发生的位移变化进而确定微小力值的大小。本发明具有较高适应性和准确性，结构紧凑。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
所述微小力值范围指一般指1mN以下的力值，本发明中涉及实现50μN到1mN范围。
本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，主要由控制及信息输出模块、光学测量模块、微小力发生模块组成。控制及信息输出模块用于测量光学测量信号，微小力发生、解算、控制及信号的外部通讯。光学测量模块用于将测量值及计算控制值与微小力值建立相互的对应关系，综合计算输出微小力的数据。微小力发生模块利用静电力方法，采用梳齿结构提高静电力获得微小力值的分辨能力和范围。所述的干涉差动位移法微小力控制系统通过控制静电力的变化，利用结构的弹性形变的方法产生微小力值，光学测量模块采用激光干涉测量方法作为微小力值闭环控制测量单元，通过测量弹性形变产生的位移变化间接获取微小力值，其中在微小位移恒定时，加载电压的平方和微小力值呈线性关系；当加载电压恒定时，微小力值与微小位移呈线性关系。工作中，激光干涉测量采用差动测量方法以提高测量的准确性，并实现确定微小力的量值输出控制和复现。
确定微小力的量值方法任选如下两种方法中一种：方法一：约束加载电压，通过测量弹性变形结构的位移变化来间接测量出微小力值的量值；方法二：采用约束微小位移值，通过电压测量来确定微小力的量值。
光学测量模块包括光源、1/4波片、偏振分光棱镜、1/2波片、反射镜、光电接收器等必要的光学元件，用于位移测量的光学干涉实现，其中包括光学扩束、分光及光电转换。
微小力发生模块，主要包括微小力值发生的执行机构，梳齿静电力发生结构，采用静电力驱动弹性结构体变形，结合控制与信息输出模块完成弹性体变形及其位置控制，实现微小力值的产生。
本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，包括准直器、第一1/4波片、第一偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第一1/2波片、第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第三偏振分光棱镜、第三1/4波片、第四1/4波片、第四偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、第五1/4波片、第六偏振分光棱镜、第六1/4波片、第七1/4波片、第二平面反射镜、第一光电转换器、第二光电转换器、梳齿固定极板、梳齿运动极板、微小力值测头。
本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统的工作方法为：以经过准直器的出射光作为干涉用光源；光束经第一1/4波片和第一偏振分光棱镜形成测量光与测量参考光，两束光偏振方向互相垂直，均为线偏振光；其中测量光经第一平面反射镜入射，测量线偏振光经第一1/2波片旋转偏振方向90度，经第二偏振分光棱镜透射，反射于运动梳齿反射区并两次通过第二1/4波片偏振方向旋转90度，反射于第二偏振分光棱镜入射第三偏振分光棱镜再次反射于运动梳齿反射区，两次通过第三1/4波片并透射通过第三偏振分光棱镜，通过第四1/4波片成为圆偏振光于第四偏振分光棱镜与参考光形成干涉光。参考光透射通过第一偏振分光棱镜和第五偏振分光棱镜反射于固定梳齿平板反射区，两次通过第五1/4波片并透射通过第六偏振分光棱镜，经过第七1/4波片变圆偏振光后到达第二反射镜，反射后在第四分光棱镜与测量光汇合形成干涉光；干涉光经第四偏振分光棱镜形成干涉信号分别于第一光电转换器，第二光电转换器将光信号转化为电信号传输到控制系统得到干涉测量的位移信号。通过在固定梳齿和运动梳齿两个极板加载电荷产生静电梳齿力，通过电荷大小控制两梳齿极板的距离，并结合干涉测量的位移共同控制实现微小力值的控制与复现输出。
有益效果：
1、本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，采用的干涉差动测量位移的方法克服位移测量灵敏度低、存在工作漂移等问题，并且该微小力发生系统采用半导体梳齿结构的形式，通过复杂的工艺换取使用结构简单，稳定可靠等优点，易于高精度实现微小力值的控制与复现。
2、本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，采用静电力致动的方法带动运动梳齿和固定梳齿产生相对运动，通过静电电荷来完成微小力值的复现，同步利用干涉差动的位移测量方式，实现微小力在静电力产生过程中精确控制，克服微小力值控制中的过程振荡和漂移，能有效地针对微小位移和微小力值相互关系确定微小力值的复现和过程控制，全面提高当前微小力值产生的水平，并能够在测量期间进行预先补偿，提高微小力值复现的准确度。
附图说明
图1为干涉差动位移法微小力控制系统的工作原理图；
图2为本发明的光学原理示意图。
其中1—控制及信息输出模块，2—光学测量模块，3—微小力发生模块，4—准直器，5—第一1/4波片，6—第一偏振分光棱镜，7—第一平面反射镜，8—第一1/2波片，9—第二偏振分光棱镜，10—第二1/4波片，11—第三偏振分光棱镜，12—第三1/4波片，13—第四1/4波片，14—第四偏振分光棱镜，15—第五偏振分光棱镜，16—第五1/4波片，17—第六偏振分光棱镜，18—第六1/4波片，19—第七1/4波片，20—第二平面反射镜，21—第一光电转换器，22—第二光电转换器，23—梳齿固定极板，24—梳齿运动极板，25—微小力值测头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1、2所示，本实施例公开的干涉差动位移法微小力控制系统，，由控制及信息输出模、光学测量模块2、微小力发生模块3组成。控制及信息输出模块1用于光学测量信号测量、微小力发生解算及控制及信号的外部通讯，光学测量模块2的测量值及计算控制值与微小力值建立相互的对应关系，综合计算输出微小力的数据。微小力发生模块3利用静电力方法，采用梳齿结构提高静电力获得微小力值的分辨能力和范围。该系统通过控制静电力的变化，利用结构的弹性形变的方法产生微小力值，光学模块采用激光干涉测量方法作为微小力值闭环控制测量单元，通过测量弹性形变产生的位移变化间接获取微小力值。激光干涉测量采用差动测量的设计以提高测量的准确性，通过测量弹性变形结构的位移变化来间接测量出微小力值的大小用来力的量值输出控制和复现。
控制及信息输出模块1，主要实现微小力值发生过程中的协调控制，干涉测量信号修正设定及测量结果的获取并将测量结果输出。
光学测量模块2，主要包括光源、1/4波片、偏振分光棱镜、1/2波片、反射镜、光电接收器等必要的光学元件，用于位移测量的光学干涉实现，其中包括光学扩束、分光及光电转换。
微小力发生模块3，主要包括微小力值发生的执行机构，梳齿静电力发生结构，采用静电力驱动弹性结构体变形，结合控制与信息输出模块一起完成弹性体变形及其位置控制，实现微小力值的产生。
本发明的干涉差动位移法微小力控制系统，包括准直器4，第一1/4波片5，第一偏振分光棱镜6，第一平面反射镜7，第一1/2波片8，第二偏振分光棱镜9，第二1/4波片10，第三偏振分光棱镜11，第三1/4波片12，第四1/4波片13，第四偏振分光棱镜14，第五偏振分光棱镜15，第五1/4波片16，第六偏振分光棱镜17，第六1/4波片18，第七1/4波片19，第二平面反射镜20，第一光电转换器21，第二光电转换器22，梳齿固定极板，梳齿运动极板24，微小力值测头25。
采用633nm稳频激光作为光源，光学测量过程是以经过准直器4的出射光作为干涉用光源；光束经第一1/4波片5和第一偏振分光棱镜6形成测量光与测量参考光，两束光偏振方向互相垂直，均为线偏振光；其中测量光经第一平面反射镜7入射，测量线偏振光经第一1/2波片8旋转偏振方向90度，经第二偏振分光棱镜9透射，反射于运动梳齿反射区并两次通过第二1/4波片10偏振方向旋转90度，反射于第二偏振分光棱镜9入射第三偏振分光棱镜11再次反射于运动梳齿反射区，其间两次通过第三1/4波片12并透射通过第三偏振分光棱镜11，通过第四1/4波片13成为圆偏振光于第四偏振分光棱镜14与参考光形成干涉光。参考光透射通过第一偏振分光棱镜6和第五偏振分光棱镜15反射于固定梳齿平板反射区，期间两次通过第五1/4波片16并透射通过第六偏振分光棱镜17，经过第七1/4波片19变圆偏振光后到达第二反射镜，反射后在第四分光棱镜与测量光汇合形成干涉光；干涉光经第四偏振分光棱镜14形成干涉信号分别于第一光电转换器21，第二光电转换器22将光信号转化为电信号传输到控制系统得到干涉测量的位移信号。静电梳齿力发生过程是通过在固定梳齿和运动梳齿两个极板加载电荷，通过电荷大小控制两梳齿极板的距离，并结合干涉测量的位移共同控制实现微小力值的控制与复现输出，位移范围0～20μm，微小力值可以实现最大500μN。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.干涉差动位移法微小力控制系统，其特征在于：主要由控制及信息输出模块(1)、光学测量模块(2)、微小力发生模块(3)组成；控制及信息输出模块(1)用于测量光学测量信号，微小力发生、解算、控制及信号的外部通讯；光学测量模块(2)用于将测量值及计算控制值与微小力值建立相互的对应关系，综合计算输出微小力的数据；微小力发生模块(3)利用静电力方法，采用梳齿结构提高静电力获得微小力值的分辨能力和范围；所述的干涉差动位移法微小力控制系统通过控制静电力的变化，利用结构的弹性形变的方法产生微小力值，光学测量模块(2)采用激光干涉测量方法作为微小力值闭环控制测量单元，通过测量弹性形变产生的位移变化间接获取微小力值，其中在微小位移恒定时，加载电压的平方和微小力值呈线性关系；当加载电压恒定时，微小力值与微小位移呈线性关系；工作中，激光干涉测量采用差动测量方法以提高测量的准确性，并实现确定微小力的量值输出控制和复现。
2.如权利要求1所述的干涉差动位移法微小力控制系统，其特征在于：光学测量模块(2)包括光源、1/4波片、偏振分光棱镜、1/2波片、反射镜、光电接收器等必要的光学元件，用于位移测量的光学干涉实现，其中包括光学扩束、分光及光电转换。
3.如权利要求1或2所述的干涉差动位移法微小力控制系统，其特征在于：微小力发生模块(3)主要包括微小力值发生的执行机构，梳齿静电力发生结构，采用静电力驱动弹性结构体变形，结合控制与信息输出模块完成弹性体变形及其位置控制，实现微小力值的产生。
4.如权利要求3所述的干涉差动位移法微小力控制系统，其特征在于：确定微小力的量值方法任选如下两种方法中一种，方法一：约束加载电压，通过测量弹性变形结构的位移变化来间接测量出微小力值的量值；方法二：采用约束微小位移值，通过电压测量来确定微小力的量值。
5.如权利要求3所述的干涉差动位移法微小力控制系统，其特征在于：包括准直器(4)、第一1/4波片(5)、第一偏振分光棱镜(6)、第一平面反射镜(7)、第一1/2波片(8)、第二偏振分光棱镜(9)、第二1/4波片(10)、第三偏振分光棱镜(11)、第三1/4波片(12)、第四1/4波片(13)、第四偏振分光棱镜(14)、第五偏振分光棱镜(15)、第五1/4波片(16)、第六偏振分光棱镜(17)、第六1/4波片(18)、第七1/4波片(19)、第二平面反射镜(20)、第一光电转换器(21)、第二光电转换器(22)、梳齿固定极板(23)、梳齿运动极板(24)、微小力值测头(25)。
6.如权利要求5所述的干涉差动位移法微小力控制系统，其特征在于：工作方法为：以经过准直器(4)的出射光作为干涉用光源；光束经第一1/4波片(5)和第一偏振分光棱镜(6)形成测量光与测量参考光，两束光偏振方向互相垂直，均为线偏振光；其中测量光经第一平面反射镜(7)入射，测量线偏振光经第一1/2波片(8)旋转偏振方向90度，经第二偏振分光棱镜(9)透射，反射于运动梳齿反射区并两次通过第二1/4波片(10)偏振方向旋转90度，反射于第二偏振分光棱镜(9)入射第三偏振分光棱镜(11)再次反射于运动梳齿反射区，两次通过第三1/4波片(12)并透射通过第三偏振分光棱镜(11)，通过第四1/4波片(13)成为圆偏振光于第四偏振分光棱镜(14)与参考光形成干涉光；参考光透射通过第一偏振分光棱镜(6)和第五偏振分光棱镜(15)反射于固定梳齿平板反射区，两次通过第五1/4波片(16)并透射通过第六偏振分光棱镜(17)，经过第七1/4波片(19)变圆偏振光后到达第二反射镜，反射后在第四分光棱镜与测量光汇合形成干涉光；干涉光经第四偏振分光棱镜(14)形成干涉信号分别于第一光电转换器(21)，第二光电转换器(22)将光信号转化为电信号传输到控制系统得到干涉测量的位移信号；通过在固定梳齿和运动梳齿两个极板加载电荷产生静电梳齿力，通过电荷大小控制两梳齿极板的距离，并结合干涉测量的位移共同控制实现微小力值的控制与复现输出。
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