CN112577406A - 一种多探针电容位移传感器和表面测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多探针电容位移传感器和表面测量方法，属于精密位移和表面测量相关技术领域。装置包括多探针测头、计量单元和直线直驱电机，多探针测头采用阵列式铰链结构支承阵列式探针，每个探针连接片上的铰链结构的导电膜，与上方的固定板上的导电膜构成电容位移计量单元，结合固定板上的激光干涉计量单元，则可以获得探针的位移。直线直驱电机驱动整个多探针测头，水平位移机构带动被测件进行二维位移，可以实现表面形貌的大量程多探针扫描测量。本发明装置结构简单，操作简单，测量精度和效率高。

Description

一种多探针电容位移传感器和表面测量方法
技术领域
本发明属于精密位移和表面测量相关技术领域，更具体地，涉及一种多探针电容位移传感器和表面测量方法。
背景技术
精密和超精密加工技术的发展，对表面形貌测量要求越来越高，需要高精度、快速高效的测量，高精度位移传感器决定精密加工与精密测量的精度，在实际生产中起着举足轻重的作用。
相较于电感式、电阻式、光电式和新兴的光纤式传感器等常见的微位移测量传感器，电容式传感器具有结构简单、动态响应特性好、适应性强和能够实现非接触式测量等优点。电容传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热小，对稳定性影响甚微。电容传感器结构简单，易于制作，可以做的非常小巧，以实现某些特殊测量。因为电极板间静电力小，电容位移传感器的测量范围小，无法满足表面形貌测量需求，在表面形貌测量中应用较少。触针式位移传感器测量精度高，在表面形貌测量中广泛应用，但单点扫描速度慢，效率较低。专利CN2012100944381公开了一种多探针平面度检测仪及其检测方法，采用白光干涉检测多探针悬臂梁的形变，测量范围小，很难满足生产实践中的测量应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多探针电容位移传感器和表面测量方法，旨在解决现有位移测量传感器测量范围小的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种多探针电容位移传感器，包括多探针测头、计量单元和直线直驱电机，多探针测头与直线直驱电机连接，计量单元位于直线直驱电机上方，用于测量直线直驱电机带动多探针测头的位移量。多探针测头通过多个电容传感器计量相应阵列位置处探针的位移，可实现多探针的小位移同步测量和被测表面的测量。
进一步地，直线直驱电机包括直线直驱电机定子、直线直驱电机动子、直线直驱电机定子线圈和直线直驱电机动子磁铁；直线直驱电机定子线圈安装在直线直驱电机定子上，直线直驱电机动子磁铁安装在直线直驱电机动子上；直线直驱电机动子通过连接件与所述多探针测头连接，用于带动多探针测头做轴向移动。
进一步地，所述多探针测头包括阵列式探针、下固定板、弹簧、探针连接片、上固定板、探头座和第一反射镜；下固定板、弹簧、探针连接片、上固定板及第一反射镜自下而上固定在探头座上；阵列式探针固定在探针连接片上；探针连接片和上固定板之间的阵列式导电膜构成阵列式电容传感器。
进一步地，所述阵列式探针为金刚石触针、硬质合金触针或硅扫描探针等。
进一步地，所述探针连接片上阵列式分布对称簧片柔性铰链结构，每个柔性铰链结构的上表面镀有导电膜。
进一步地，所述上固定板在与阵列柔性铰链结构对应位置处的下表面镀有导电膜。
进一步地，计量单元包括第二反射镜、第一波片、偏振分光镜、第一偏振片、光电探测器、激光器及第二波片；所述激光器、所述偏振分光镜、所述第一波片、所述第二反射镜自右向左依次间隔设置；所述第二波片在所述偏振分光镜下方设置；所述第一偏振片、所述光电探测器自下向上在所述偏振分光镜上方设置；所述第一波片及第二波片均为1/4波片。计量单元用于测量所述直线直驱电机动子带动所述多探针测头的位移；通过电容传感器测量探针的位移；结合多探针测头的位移和阵列式探针的位移即可实现大位移同步测量。
按照本发明的另一个方面，提供了一种多探针表面测量方法，该测量方法是采用采用如上所述的多探针电容位移传感器进行测量，计量单元用于测量直线直驱电机动子带动所述多探针测头的位移，电容传感器测量探针的位移，结合多探针测头的位移和阵列式探针的位移即可实现位移同步测量。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1.本发明采用阵列式电容传感器计量，多探针测量，提高测量精度和测量效率。
2.本发明采用对称簧片柔性铰链结构支承探针，实现探针的轴向直线位移，减小运动误差，提高了测量精度。
3.采用直线直驱电机对多探针测头进行轴向位移，扩大了传感器的量程范围，使得传感器适用面广，适应性强。
附图说明
图1是本发明提供的多探针电容位移传感器的结构示意图；
图2是图1中的多探针测头结构的剖视图；
图3是图2中的探针连接片的结构示意图；
图4是图2中的上固定板下表面的导电膜结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-多探针测头，2-第一反射镜，3-连接件，4-直线直驱电机，5-计量单元，11-阵列式探针，12-下固定板，13-探针连接片，14-探头座，15-上固定板，16-弹簧，41-直线直驱电机定子，42-直线直驱电机动子，43-直线直驱电机定子线圈，44-直线直驱电机动子磁铁，51-第二反射镜，52-第一波片，53-偏振分光镜，54-第一偏振片，55-光电探测器，56-激光器，57-第二波片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示，本发明提供的多探针电容位移传感器包括多探针测头1、第一反射镜2、连接件3、直线直驱电机4和计量单元5，所述多探针测头1通过连接件3与所述直线直驱电机4连接，第一反射镜2固定在所述多探针测头1，所述的计量单元5位于直线直驱电机4上方。
所述多探针测头1包括阵列式探针11、下固定板12、探针连接片13、探头座14、上固定板15、弹簧16。在本实施方式中，所述下固定板12、所述弹簧16、所述探针连接片13及所述上固定板15自下而上固定在所述探头座14；所述阵列式探针11固定在所述探针连接片13；所述探针连接片13和所述上固定板15之间的导电膜构成电容传感器。
所述直线直驱电机4包括直线直驱电机定子41、直线直驱电机动子42、直线直驱电机定子线圈43和直线直驱电机动子磁铁44；直线直驱电机定子线圈43安装在直线直驱电机定子41上，直线直驱电机动子磁铁44安装在直线直驱电机动子42上；直线直驱电机动子42通过连接件与所述多探针测头1连接，用于带动多探针测头1做轴向移动。
所述计量单元5包括第二平面反射镜51，第一波片52，偏振分光镜53，偏振片54，光电探测器55，单频激光器56，第二波片57。在本实施方式中，所述激光器56、所述偏振分光镜53、所述第一波片52、所述第二反射镜51自右向左依次间隔设置；所述第二波片57在所述偏振分光镜53下方设置；所述第一偏振片54、所述光电探测器55自下向上在所述偏振分光镜53上方设置；所述第一波片52及第二波片57均为1/4波片。
所述探针连接片13上阵列式分布对称簧片柔性铰链结构，每个柔性铰链结构的上表面镀有导电膜，如图3所示。
所述上固定板15在与所述探针连接片13的阵列柔性铰链结构对应位置处的下表面镀有导电膜，如图4所示。
本发明还提供了一种多探针表面测量方法，所述测量方法是采用如上所述的多探针电容位移传感器进行测量。
所述多探针测头1的所述探针连接片13和所述上固定板15上的阵列式导电膜构成阵列式电容传感器，测量所述阵列式探针11的位移，得到小范围的位移值。
所述计量单元5在测量时，所述单频激光器56发出的光经过所述第一偏振分光镜53后将被分成偏振方向正交的两束光：P光透射，S光反射。P光经过所述第一波片52后被所述第二平面反射镜52反射后再次通过所述第一波片52，之后被所述第一偏振分光镜53反射，再通过所述偏振片54，由此得到参考光；S光经过所述第二波片57后被所述第一平面反射镜2反射后再次通过所述第一波片57，之后依次通过所述第一偏振分光镜53和所述偏振片54，由此得到测量光；参考光和测量光产生干涉，并被所述光电探测器55接收。
当所述直线直驱电机4带动所述多探针测头1做轴向位移时，会带动所述第一平面反射镜2产生轴向位移，改变参考光和测量光之间的光程差改变，形成的干涉条纹移动，经所述光电探测器55检测可以得到所述多探针测头1的大范围位移量；结合多探针测头1的位移和阵列式探针11的位移即可实现大位移同步测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多探针电容位移传感器，其特征在于，包括多探针测头、计量单元和直线直驱电机，所述多探针测头与所述直线直驱电机连接，所述计量单元位于直线直驱电机上方，用于测量直线直驱电机带动多探针测头的位移量。
2.如权利要求1所述多探针电容位移传感器，其特征在于，所述直线直驱电机包括直线直驱电机定子、直线直驱电机动子、直线直驱电机定子线圈和直线直驱电机动子磁铁；所述直线直驱电机定子线圈安装在直线直驱电机定子上，所述直线直驱电机动子磁铁安装在直线直驱电机动子上，所述直线直驱电机动子通过连接件与多探针测头连接。
3.如权利要求1所述多探针电容位移传感器，其特征在于，所述多探针测头包括阵列式探针、下固定板、弹簧、探针连接片、上固定板、探头座和第一反射镜；所述下固定板、弹簧、探针连接片、上固定板及第一反射镜自下而上固定在所述探头座上；所述阵列式探针固定在所述探针连接片上；所述探针连接片和所述上固定板之间的阵列式导电膜构成阵列式电容传感器，用于测量阵列式探针相对多探针测头的位移。
4.如权利要求3所述多探针电容位移传感器，其特征在于，所述阵列式探针为金刚石触针、硬质合金触针或硅扫描探针。
5.如权利要求3所述多探针电容位移传感器，其特征在于，所述探针连接片上阵列式分布对称簧片柔性铰链结构，每个柔性铰链结构的上表面镀有导电膜。
6.如权利要求3所述多探针电容位移传感器，其特征在于，所述上固定板在与所述探针连接片的阵列柔性铰链结构对应位置处的下表面镀有导电膜。
7.如权利要求1所述多探针电容位移传感器，其特征在于，所述计量单元包括第二反射镜、第一波片、偏振分光镜、第一偏振片、光电探测器、激光器及第二波片；所述激光器、所述偏振分光镜、所述第一波片、所述第二反射镜自右向左依次间隔设置；所述第二波片在所述偏振分光镜下方设置；所述第一偏振片、所述光电探测器自下向上在所述偏振分光镜上方设置；所述第一波片及第二波片均为1/4波片。
8.一种表面测量方法，其特征在于，该测量方法是采用权利要求1至7任一项所述的多探针电容位移传感器进行测量。
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