CN115979467B - 一种基于石英音叉三维谐振测头的触发力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石英音叉三维谐振触发测头的触发力测量方法，包括：1设定石英音叉谐振触发测头输出电压触发阈值，2设定压电微位移平台移动参数，3读取石英音叉三维谐振触发测头当前输出电压幅值，与所设定的触发阈值进行比较，4根据比较结果，若读取到的电压幅值大于设定触发阈值，则控制压电微位移平台沿指定方向移动一个步距5若读取电压幅值小于设定触发阈值，则使压电微位移平台停止逼近，保持当前位置延时后，令位移台回退6微力传感器记录该过程测力值。本发明能实现基于石英音叉三维谐振触发测头触发力的测量，以验证微纳米三坐标测量机测头测量力低的特点，对于实现柔软质地微型精密元件的测量具有一定的理论意义和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米三坐标测量机三维微力测量领域，尤其涉及一种基于石英音叉三维谐振测头触发力测量方法。
背景技术
近年来，随着微细加工技术的发展，各种微型器件如精密光学元器件、半导体器件被广泛应用于航空航天、生物工程、医疗器械等领域，这些器件尺寸形貌结构上的偏差会直接影响整体系统性能，因此在加工过程中测量微结构的三维形貌以及对相关参数进行分析至关重要。在微结构器件的三维尺寸和形貌的测量中，三坐标测量机是最常用的工具，传统的三坐标测量机由于测头尺寸过大，无法满足微纳米级的测量精度要求，故需要体积小、测量精度高的微纳米三坐标测量机。而对于高精度的微纳米三坐标测量机而言，作为触发传感器的三维测头至关重要，测量精度会直接影响系统的测量精度，要求其具有尺寸小、测量力小、高精度的特点，测头系统测量力的大小对微型精密元器件形貌特征尺寸结构的测量具有重要意义。
发明内容
本发明是针对微纳米三坐标测量机测头测量力不易测量的不足之处，提供一种基于石英音叉三维谐振触发测头触发力的测量方法，以期能利用微力传感器和压电微位移平台装置对石英音叉三维谐振触发测头触发力进行测量，以证明微纳米三坐标测量机谐振测头具有低测量力的特点，对实现柔软质地微型精密元件的测量具有一定的理论意义和实用价值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明一种基于石英音叉三维谐振触发测头的触发力测量方法，其特点是应用于由高精度压电微位移平台、连接机构、石英音叉三维谐振触发测头、微力传感器和计算机组成的微纳米三坐标测量机谐振测头系统中；将所述微力传感器通过所述连接机构固定在所述高精度压电微位移平台上，所述石英音叉三维谐振触发测头是利用石英音叉并结合光纤一体式微测杆测球构成；所述触发力测量方法是按如下步骤进行：
步骤1、设定石英音叉三维谐振触发测头的电压触发阈值为Δ×U0，其中，Δ表示倍数，且Δ属于[0,1]；U0表示石英音叉三维谐振触发测头的初始电压幅值；
步骤2、设定所述压电微位移平台的移动参数，包括：步距τ和速度v；定义当前时刻为t，并初始化t＝0；
步骤3、获取所述压电微位移平台在当前时刻t的位置信息，并读取石英音叉三维谐振测头在当前时刻t输出的电压幅值Ut；所述微力传感器获取所述石英音叉三维谐振触发测头在当前时刻t的测力值；
步骤4、若Ut大于Δ×U0，则控制所述压电微位移平台沿指定方向移动一个步距τ后，将t+1赋值给t，返回步骤3；否则，控制所述压电微位移平台停止沿指定方向移动，并回退一个指定步距；从而得到所述压电微位移平台在不同时刻的位置信息、所述石英音叉三维谐振触发测头在不同时刻的电压幅值、测力值，并用于构建不同时刻的电压幅值与位置信息的对应关系、以及测力值与不同时刻的对应关系，进而得到不同时刻的测力值与位置信息的对应关系。
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述触发力测量方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述触发力测量方法的步骤。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提出的一种基于石英音叉三维谐振触发测头触发力方法，利用压电微位移平台和微力传感器，通过压电微位移平台沿X、Y、Z方向进行移动，微力传感器实时测量作用在其上的力，实现了三维谐振测头X、Y、Z三维方向的触发力测量。
2、本发明采用的触发力测量方法，利用石英音叉结合光纤一体式微测杆测球作为微力触发传感器，品质因数高，尺寸小；将谐振测头固定，可减小阿贝误差，利用高精度的压电微位移平台移动，该测量系统具有纳米级的触发分辨力。
3、本发明通过对石英音叉三维谐振触发测头触发力测试结果分析，X向触发力2.666μN，Y向触发力1.896μN，Z向触发力4.380μN，每个方向触发力小于5μN，证明石英音叉三维谐振测头具有微牛量级的触发力，当石英音叉三维谐振测头用于测量时，该触发力对于石英音叉三维谐振测头以及被测样品造成的损伤可以忽略不计。
附图说明
图1a为石英音叉三维谐振触发测头X向触发力测量过程示意图；
图1b为石英音叉三维谐振触发测头Y向触发力测量过程示意图；
图1c为石英音叉三维谐振触发测头Z向触发力测量过程示意图；
图2为本发明触发力测量工作流程示意图；
图3a为本发明石英音叉三维谐振触发测头X向触发力实验结果；
图3b为本发明石英音叉三维谐振触发测头X向力-位移曲线图；
图4a为本发明石英音叉三维谐振触发测头Y向触发力实验结果；
图4b为本发明石英音叉三维谐振触发测头Y向力-位移曲线图；
图5a为本发明石英音叉三维谐振触发测头Z向触发力实验结果；
图5b为本发明石英音叉三维谐振触发测头Z向力-位移曲线图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于石英音叉三维谐振触发测头触发力的测量方法，是应用于由高精度压电微位移平台、连接机构、石英音叉三维谐振触发测头、微力传感器和计算机组成的微纳米三坐标测量机谐振测头系统中；如图1a、图1b和图1c所示为触发力测量装置示意图，将微力传感器1通过连接机构固定在压电微位移平台2上，用于对谐振测头进行接触触发，记录整个过程的测力值，压电微位移台记录触发过程的位移变化情况。三维谐振触发测头是利用石英音叉结合光纤一体式微测杆测球作为测头系统；如图2所示，该测量触发力方法按如下步骤进行：
步骤1、设定石英音叉三维谐振触发测头的电压触发阈值为Δ×U0，其中，Δ表示倍数，且Δ属于[0,1]；U0表示石英音叉三维谐振触发测头的初始电压幅值；微力传感器未接近测头时，石英音叉三维谐振触发测头以自由状态谐振，输出初始电压幅值；微力传感器与石英音叉三维谐振触发测头相接触时，石英音叉三维谐振触发测头谐振状态改变，输出电压降低，根据石英音叉三维谐振触发测头输出电压幅值是否达到触发阈值判定其触发状态；
步骤2、设定压电微位移平台的移动参数，包括：步距τ和速度v；定义当前时刻为t，并初始化t＝0；
步骤3、获取压电微位移平台在当前时刻t的位置信息，并读取石英音叉三维谐振测头在当前时刻t输出的电压幅值Ut；微力传感器获取石英音叉三维谐振触发测头在当前时刻t的测力值；
步骤4、若Ut大于Δ×U0，则控制压电微位移平台沿指定方向移动一个步距τ后，将t+1赋值给t，返回步骤3；否则，控制压电微位移平台停止沿指定方向移动，并回退一个指定步距；回退的目的是防止测头一直接触微力传感器，使微力传感器一直处于工作状态，对传感器灵敏度造成影响；从而得到压电微位移平台在不同时刻的位置信息、石英音叉三维谐振触发测头在不同时刻的电压幅值、测力值，以建立文档的形式将数据保存，并用于构建不同时刻的电压幅值与位置信息的对应关系、以及测力值与不同时刻的对应关系，进而得到不同时刻的测力值与位置信息的对应关系。根据石英音叉三维谐振触发测头触发后测力平均值与到达触发阈值钱测力平均值相减，可以得到石英音叉三维谐振触发测头的触发力。
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
如图1a所示，微力传感器固定在压电微位移平台上，控制压电微位移平台沿X方向逼近谐振测头，根据设定触发阈值判断与石英音叉三维谐振触发测头的触发，触发完成后压电微位移台保持在当前位置，对该触发阈值下石英音叉三维谐振触发测头X向触发力进行测量，完成测量后使压电微位移台回退，保护测头不被损坏；
如图1b所示，微力传感器固定在压电微位移平台上，控制压电微位移平台沿Y方向逼近谐振测头，根据设定触发阈值判断与石英音叉三维谐振触发测头的触发，触发完成后压电微位移台保持在当前位置，对该触发阈值下石英音叉三维谐振触发测头Y向触发力进行测量，完成测量后使压电微位移台回退，保护测头不被损坏；
如图1c所示，微力传感器固定在压电微位移平台上，控制压电微位移平台沿Z方向逼近谐振测头，根据设定触发阈值判断与石英音叉三维谐振触发测头的触发，触发完成后压电微位移台保持在当前位置，对该触发阈值下石英音叉三维谐振触发测头Z向触发力进行测量，完成测量后使压电微位移台回退，保护测头不被损坏；
如图3a所示为石英音叉三维谐振触发测头X向测力与时间关系曲线，一开始压电微位移平台逼近测头，石英音叉三维谐振触发测头触发力不变，石英音叉三维谐振触发测头在A点被触发，B点石英音叉三维谐振触发测头输出电压幅值降低到触发阈值Δ×U0，达到触发阈值后，压电微位移平台保持在当前位置，一段时间后压电微位移平台回退到初始位置。
如图3b所示为石英音叉三维谐振触发测头X向力-位移曲线，将读取到的压电微位移平台当前时刻的位置信息，与图3a测力曲线时间对应，得到石英音叉三维谐振触发测头X向-力曲线，石英音叉三维谐振触发测头在A点被触发。
如图4a所示为石英音叉三维谐振触发测头Y向测力与时间关系曲线，一开始压电微位移平台逼近测头，石英音叉三维谐振触发测头触发力不变，石英音叉三维谐振触发测头在A点被触发，B点石英音叉三维谐振触发测头输出电压幅值降低到触发阈值Δ×U0，达到触发阈值后，压电微位移平台保持在当前位置，一段时间后压电微位移平台回退到初始位置。
如图4b所示为石英音叉三维谐振触发测头Y向力-位移曲线，将读取到的压电微位移平台当前时刻的位置信息，与图3a测力曲线时间对应，得到石英音叉三维谐振触发测头X向-力曲线，石英音叉三维谐振触发测头在A点被触发。
如图5a所示为石英音叉三维谐振触发测头Z向测力与时间关系曲线，一开始压电微位移平台逼近测头，石英音叉三维谐振触发测头触发力不变，石英音叉三维谐振触发测头在A点被触发，B点石英音叉三维谐振触发测头输出电压幅值降低到触发阈值Δ×U0，达到触发阈值后，压电微位移平台保持在当前位置，一段时间后压电微位移平台回退到初始位置。
如图5b所示为石英音叉三维谐振触发测头Z向力-位移曲线，将读取到的压电微位移平台当前时刻的位置信息，与图3a测力曲线时间对应，得到石英音叉三维谐振触发测头X向-力曲线，石英音叉三维谐振触发测头在A点被触发。
本发明石英音叉三维谐振测头具有微牛量级的触发力，通过实验测试，可得到石英音叉三维谐振测头X向触发力2.666μN，Y向触发力1.896μN，Z向触发力4.380μN，每个方向触发力小于5μN，当石英音叉三维谐振测头用于测量时，该触发力对于石英音叉三维谐振测头以及被测样品造成的损伤可以忽略不计。
Claims (3)
1.一种基于石英音叉三维谐振触发测头的触发力测量方法，其特征在于，是应用于由高精度压电微位移平台、连接机构、石英音叉三维谐振触发测头、微力传感器和计算机组成的微纳米三坐标测量机谐振测头系统中；将所述微力传感器通过所述连接机构固定在所述高精度压电微位移平台上，所述石英音叉三维谐振触发测头是利用石英音叉并结合光纤一体式微测杆测球构成；所述触发力测量方法是按如下步骤进行：
步骤1、设定石英音叉三维谐振触发测头的电压触发阈值为Δ×U0，其中，Δ表示倍数，且Δ属于[0,1]；U0表示石英音叉三维谐振触发测头的初始电压幅值；
步骤2、设定所述压电微位移平台的移动参数，包括：步距τ和速度v；定义当前时刻为t，并初始化t＝0；
步骤3、获取所述压电微位移平台在当前时刻t的位置信息，并读取石英音叉三维谐振测头在当前时刻t输出的电压幅值Ut；所述微力传感器获取所述石英音叉三维谐振触发测头在当前时刻t的测力值；
步骤4、若Ut大于Δ×U0，则控制所述压电微位移平台沿指定方向移动一个步距τ后，将t+1赋值给t，返回步骤3；否则，控制所述压电微位移平台停止沿指定方向移动，并回退一个指定步距；从而得到所述压电微位移平台在不同时刻的位置信息、所述石英音叉三维谐振触发测头在不同时刻的电压幅值、测力值，并用于构建不同时刻的电压幅值与位置信息的对应关系、以及测力值与不同时刻的对应关系，进而得到不同时刻的测力值与位置信息的对应关系。
2.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述触发力测量方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
3.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述触发力测量方法的步骤。
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