CN112902851A - 一种柔性铰链式触针位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密位移测量相关技术领域，其公开了一种柔性铰链式触针位移传感器，包括：触针单元，包括柔性铰链、固定连接于柔性铰链上表面的第二平面反射镜以及穿过柔性铰链连接于第二平面反射镜下表面的触针；偏振干涉计量单元，水平方向依次包括激光器、偏振分光镜、第一1/4波片以及第一平面反射镜偏振干涉计量单元还包括设于偏振分光镜反射光路上的第二1/4波片以及设于偏振分光镜上方的偏振片和光电探测器。本申请通过对光的偏振反射后的光程差分析即可获得位移量，测量简单精度高。
Description
技术领域
本发明属于精密位移测量相关技术领域，更具体地，涉及一种柔性铰链式触针位移传感器。
背景技术
随着制造技术要求向着精密及超精密方向发展，对于零件的几何测量的精度要求在不断的提高，为了实现位移的测量，在生产科研中常需要高精度的触针位移传感器。
触针位移传感器的运动支撑一般为滚珠导轨结构，滚珠和导轨的加工误差以及部件间的摩擦等都会影响触针的运动精度和灵敏性。位移传感器的计量方法的种类有很多种，常用的有电感式、电容式、电涡流式等。电感式的结构简单，方便实现，但非线形输出特性限制了测量位移和测量精度；电容位移传感器的测量精度高，但测量范围小；电涡流位移传感器的精度有限。因此，亟需设计一种测量精度高、测量范围广且操作简单的触针位移传感器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性铰链式触针位移传感器，通过将触针的位移转化为柔性铰链的移动进而带动柔性铰链上的第二平面反射镜移动，第二平面反射镜的位移变化实现对光的反射变化从而可以采用偏振干涉计量单元实现对位移量的测量，测量精度高。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性铰链式触针位移传感器，包括：触针单元，包括柔性铰链、固定连接于所述柔性铰链上表面的第二平面反射镜以及穿过所述柔性铰链连接于第二平面反射镜下表面的触针；偏振干涉计量单元，水平方向依次包括激光器、偏振分光镜、第一1/4波片以及第一平面反射镜；所述偏振干涉计量单元还包括设于所述偏振分光镜反射光路上的第二1/4波片以及设于所述偏振分光镜上方的偏振片和光电探测器，其中，所述第二1/4波片设于所述第二平面反射镜的正上方。
优选地，所述触针位于所述第二平面反射镜的几何中心的下方。
优选地，所述触针单元还包括设于所述柔性铰链下方的挡板，所述挡板上设有贯通的孔，所述触针穿过所述孔。
优选地，所述挡板和所述柔性铰链之间设有弹簧，初始时刻所述弹簧设有预压力。
优选地，所述柔性铰链为对称结构。
优选地，所述柔性铰链的材料为弹簧钢或铜。
优选地，所述柔性铰链的弹性模量为1×1011～2×1011N/m2。
优选地，所述触针的材料为金刚石、红宝石或硬质合金中的一种。
优选地，所述偏振干涉计量单元固定于支架上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种柔性铰链式触针位移传感器具有如下有益效果：
1.本发明采用柔性铰链支撑触针结构，触针与第二平面反射镜固定连接，而第二平面反射镜又与柔性铰链固定连接，因此触针在测量过程中不会出现转动，触针与柔性铰链一起上下移动不会出现摩擦，提高了测量的稳定性；
2.通过偏振干涉计量单元通过对第二平面反射镜的反射光的偏振状态的测量实现对触针位移量的测量，因此其检测精度可以达到波长级别，测量精度高；
3.偏振干涉计量单元固定于支架上可以实现干涉仪中各个光学元件的相对永久固定，使得各个光学元件在物理上结为一体，提供了干涉仪的稳定性和可靠性；
4.不需要外加调制信号，本申请通过偏振分光镜将单频激光分为两束，一束为测量光，另一束为参考光，可以免除外加信号源，避免外界误差，通过比较两干涉信号的光程差即可获得精确的结果，精度高测量简单。
附图说明
图1示意性示出了本实施例的柔性铰链式触针位移传感器的结构示意图；
图2示意性示出了本实施例的柔性铰链的结构示意图。
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：
100-触针单元：
110-柔性铰链；120-第二平面反射镜；130-触针；140-挡板；141-孔；150-弹簧；160-下支撑环；170-上支撑环；
200-偏振干涉计量单元：
210-激光器；220-偏振分光镜；230-第一1/4波片；240-第一平面反射镜；250-第二1/4波片；260-偏振片；270-光电探测器；280-支架；
300-传感器外壳；
400-传感器顶盖。
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未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种柔性铰链式触针位移传感器，该柔性铰链式触针位移传感器包括触针单元100和偏振干涉计量单元200。
触针单元100包括柔性铰链110、第二平面反射镜120以及触针130。其中，如图2所示，柔性铰链110为对称式结构，其材料优选为弹簧钢或铜，其厚度优选为0.1mm。该柔性铰链110的弹性模量优选为1.06×1011N/m2。柔性铰链110的几何中心设有孔，该孔用于触针130穿过。第二平面反射镜120固定连接与上述柔性铰链110的上表面，并且该第二平面反射镜120的几何中心与柔性铰链110的孔的轴心重合。触针130穿过柔性铰链110上的孔与第二平面反射镜120固定连接。
该触针单元100还包括设于所述柔性铰链110下方的挡板140，所述挡板140上设有贯通的孔141，所述触针130穿过所述孔141。该孔141的直直径优选为略大于触针130的直径，且该孔141位于柔性铰链110上的孔的正下方，使得触针130处于竖直方向，即使在对凹凸不平的表面进行探测时也只是相对于柔性铰链110和挡板140做上下移动。
当柔性铰链110的挠度过大时，所述挡板140和所述柔性铰链110之间还可以设有弹簧150，初始时刻所述弹簧150设有预压力以减小柔性铰链110的初始形变。
本实施例中，当柔性铰链110为铜，铜的弹性模量约为E＝1.06×1011N/m2。第二平面反射镜120和触针130的质量总和的极限值为5g，垂直放置时，柔性铰链110的挠度为
挠度过大，设置弹簧150以减小挠度，同时弹簧150可增大柔性铰链110的刚度k，减少系统响应时间。
触针130的材料优选为金刚石、红宝书或硬质合金中的一种，其探头的形状优选为锥形、球形或刃形中的一种，可以用于测量工件的尺寸、表面粗糙度、表面轮廓等几何形貌。
偏振干涉计量单元200，水平方向依次包括激光器210、偏振分光镜220、第一1/4波片230以及第一平面反射镜240；所述偏振干涉计量单元200还包括设于所述偏振分光镜220反射光路上的第二1/4波片250以及设于所述偏振分光镜220上方的偏振片260和光电探测器270，其中，所述第二1/4波片250设于所述第二平面反射镜120的正上方。
挡板140和柔性铰链110之间可以通过下支撑环160支撑。触针单元100设于传感器外壳300的下部，柔性铰链110上部设有上支撑环170，偏振干涉计量单元200固定于支架280上，该支架280设于传感器外壳300的上部被上支撑环170支撑。
该柔性铰链式触针位移传感器还包括传感器顶盖400，用于密封触针单元100和偏振干涉计量单元200。
偏振干涉计量单元200在工作时，激光器210发出激光照射在偏振分光镜220上，而后一部分激光穿过偏振分光镜220依次经过第一1/4波片230以及第一平面反射镜240，被第一平面反射镜240反射后通过第一1/4波片230、偏振分光镜220、偏振片260到达光电探测器270作为参考光，另一部分激光经偏振分光镜220反射后通过第二1/4波片250后被第二平面反射镜120反射后再次穿过第二1/4波片250、偏振分光镜220、偏振片260到达光电探测器270作为探测光。探测时，在柔性铰链110的支撑下，触针130跟随被测高度上下移动，带动柔性铰链110的中心以及第二平面反射镜120上下移动，偏振干涉计量单元200检测到第二平面反射镜120的移动，从而获得触针130的移动量，得到被测位移量。设激光的波长为λ，检测信号的处理电路为n1位，软件细分为n2，被测位移量的检测分辨力为
其中，
为位移量。
综上所述，本申请提供了一种柔性铰链式触针位移传感器，通过将触针的位移转化为柔性铰链的移动进而带动柔性铰链上的第二平面反射镜移动，第二平面反射镜的位移变化实现对光的反射变化从而可以采用偏振干涉计量单元实现对位移量的测量，测量精度高。
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 (9)
1.一种柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，包括：
触针单元(100)，包括柔性铰链(110)、固定连接于所述柔性铰链(110)上表面的第二平面反射镜(120)以及穿过所述柔性铰链(110)连接于第二平面反射镜(120)下表面的触针(130)；
偏振干涉计量单元(200)，水平方向依次包括激光器(210)、偏振分光镜(220)、第一1/4波片(230)以及第一平面反射镜(240)；所述偏振干涉计量单元(200)还包括设于所述偏振分光镜(220)反射光路上的第1/4波片(250)以及设于所述偏振分光镜(220)上方的偏振片(260)和光电探测器(270)，其中，所述第1/4波片(250)设于所述第二平面反射镜(120)的正上方。
2.根据权利要求1所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述触针(130)位于所述第二平面反射镜(120)的几何中心的下方。
3.根据权利要求1所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述触针单元(100)还包括设于所述柔性铰链(110)下方的挡板(140)，所述挡板(140)上设有贯通的孔(141)，所述触针(130)穿过所述孔(141)。
4.根据权利要求3所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述挡板(140)和所述柔性铰链(110)之间设有弹簧(150)，初始时刻所述弹簧(150)设有预压力。
5.根据权利要求1所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述柔性铰链(110)为对称结构。
6.根据权利要求5所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述柔性铰链(110)的材料为弹簧钢或铜。
7.根据权利要求1所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述柔性铰链(110)的弹性模量为1×1011～2×1011N/m2。
8.根据权利要求1所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述触针(130)的材料为金刚石、红宝石或硬质合金中的一种。
9.根据权利要求1所述的柔性铰链式触针位移传感器，其特征在于，所述偏振干涉计量单元(200)固定于支架上。
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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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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210604 |
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