用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種微形貌測量裝置使用的觸針式位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 觸針式位移傳感器是形貌測量儀器的核心器件，被工業(yè)廣泛地用于在線和離線零 件的表面形貌測量檢測和表征。
[0003] 觸針式測量是一種最基本的表面形貌測量方法，特別是在工程表面測量中，觸針 式儀器占有極其重要的地位。其特點是測量范圍大、分辨率高、測量結(jié)果穩(wěn)定、重復(fù)性好，所 以也常作為其他形貌測量技術(shù)測量結(jié)果的比對方法；一般說來，觸針式位移傳感器的縱向 分辨率由檢測位移變化的傳感元件(通常為電感、電容、光柵等）的分辨率決定；橫向分辨率 通常由探針尖端大小和掃描間距決定。觸針一般為金剛石材質(zhì)，其針尖直徑在l~20um，測 量過程中，金剛石觸針沿工件表面滑動，工件表面的微觀峰谷起伏使觸針沿被測面的垂直 方向上下移動，探桿將此位移變換傳遞給傳感元件，傳感元件再將位移變化轉(zhuǎn)換成電信號， 交由計算機處理獲得工件表面微觀形貌信息。因此，如何合理設(shè)計機械結(jié)構(gòu)支承探桿將直 接影響整個傳感器的測量性能。
[0004] 傳統(tǒng)的觸針式位移傳感器的探桿支承方式主要有以下兩種，其中每種方式又都有 不同的變形結(jié)構(gòu)，但是其基本原理是相同的，下面就每種方式中比較典型的結(jié)構(gòu)予以說明。
[0005] 1、杠桿鉸鏈支承方式。如附圖1所示，該類傳感器將帶有第一觸針1-5和可動磁 芯1-1的杠桿1-2固定在活動鉸鏈1-3上，利用杠桿的相對運動關(guān)系將觸針跟隨樣品表面 的位移變化等效轉(zhuǎn)換為可動磁芯相對于電感線圈1-4的位移變化，再由電感線圈將位移信 號轉(zhuǎn)換成電信號從而完成測量。
[0006] 2、彈性元件支承方式。如附圖2所示，該類傳感器利用彈簧或彈簧片2-1等彈性 元件將連有第二觸針2-2的第一探桿2-3固定在基座2-4上。彈性元件會隨著探桿的移動 發(fā)生形變，該形變將引起差動電容2-5的電參量變化，從而將第一探桿的位移信號轉(zhuǎn)換為 電信號達到測量目的。該支承方式中，使用了電磁裝置(包括永磁體2-7與基座上的電磁體 2-6)，該種方式中的電磁裝置主要用于調(diào)節(jié)第二觸針與工件之間的接觸力，以對彈簧片的 力量進行部分平衡，而對第一探桿的支撐主要還是由彈簧片完成。 以上兩種傳感器的支承方式是目前為止最為常用的，但在實際的使用中，其測量精度 仍然無法更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，其原因在于它們存在如下技術(shù)缺點： 1、在杠桿鉸鏈支承方式中，活動鉸鏈與杠桿之間的支承存在間隙，此間隙隨著杠桿和 鉸鏈間的磨損加劇，容易給測量結(jié)果引入測量誤差；同時杠桿和鉸鏈之間存在較大的摩擦 力，此摩擦力通過觸針傳遞給被測樣品，造成相對較大的測量力，容易損傷被測樣品；位移 的傳遞采用了杠桿式設(shè)計使得被測樣品表面的形貌變化無法1:1的傳遞給位移傳感元件， 再在測量結(jié)果中引入非線性誤差。
[0007] 2、在彈性元件支承方式中，彈性元件采用了懸臂式結(jié)構(gòu)，其樣品表面的形貌變化 非線性的傳遞給傳感元件，再在測量結(jié)果中引入非線性誤差；在形貌測量過程中，測量力隨 著懸臂式彈性元件的應(yīng)變的不同而不同，所以造成測量力不均勻，且不易控制，懸臂式彈性 元件的安裝精度要求高，安裝誤差容易給測量結(jié)果引入較大測量誤差。
[0008] 以上所列舉的兩種傳感器的支承方式均為常規(guī)的機械式接觸，即探桿和支撐體是 通過機械結(jié)構(gòu)直接連接的，實際上目前的傳感器均采用這種機械接觸方式，只是接觸結(jié)構(gòu) 不同而已，由于這種觸針式的微形貌測量傳感器均采用傳統(tǒng)的機械接觸式，導(dǎo)致其無法擺 脫這種較大的非線性誤差，因此傳統(tǒng)觸針式位移傳感器的微形貌測量測量精度已經(jīng)難以進 行有效突破。
[0009] 而隨著精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，對工件表面的微形貌測量要求越來越高。所以， 為了降低和控制測量力，減小非線性誤差，進一步增大測量范圍，更好地滿足工業(yè)測量需 要，我們迫切需要一種新型觸針式位移傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，制造成本低的磁 懸浮觸針式位移傳感器。
[0011] 本發(fā)明的磁懸浮觸針式位移傳感器包括測量探頭、探頭支承座、讀數(shù)傳感器、信號 處理控制裝置。
[0012] 所述的測量探頭包括用于劃過被測物表面的觸針4,觸針安裝在懸浮式探桿3下 端；所述的探桿為磁體，探桿設(shè)置在探頭支承座2內(nèi)，并與探頭支承座間留有間隙。
[0013] 所述的探頭支承座為電磁體。
[0014] 讀數(shù)傳感器與測量探頭對應(yīng)，并讀取測量探頭的位置信息，讀數(shù)傳感器與信號處 理控制裝置7連接。
[0015] 信號處理控制裝置與探頭支承座連接，用于控制探頭支承座。
[0016] 如上所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，更進一步說明為，所述 的探頭支承座為電磁鐵，其中電磁鐵線圈與信號處理控制裝置連接；信號處理控制裝置為 電磁鐵線圈提供所需電源。
[0017] 如上所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，更進一步說明為，所述 的讀數(shù)傳感器為光柵尺，其中光柵尺的讀數(shù)頭5-2設(shè)置在固定基座上，光柵尺的動尺5-1設(shè) 置在探桿上。
[0018] 如上所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，更進一步說明為，所述 的探桿穿過探頭支承座，并在探桿的上端設(shè)置動尺。
[0019] 如上所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，更進一步說明為，所述 的探桿為空心結(jié)構(gòu)，其表面為磁化材料，在探桿的下端設(shè)置觸針。
[0020] 如上所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，更進一步說明為，所述 的探頭支承座包括外部的固定基座1，在固定基座1內(nèi)設(shè)置電磁線圈，所述的探桿穿過固定 基座及電磁線圈，并活動設(shè)置在固定基座及電磁線圈中。
[0021] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明利用磁懸浮支承座和探桿間的磁力作用將探桿和觸針懸浮，徹底改變了傳統(tǒng)的 機械固定接觸式探桿安裝方法，采用這種設(shè)計方法有以下優(yōu)點： 1、本發(fā)明的探桿和觸針在工作過程中無任何機械摩擦，從而保證探桿和觸針的高順應(yīng) 性。
[0022] 2、探桿只能在垂直于工件表面方向作直線運動，因此探桿的運動為垂直于被測工 件表面的直線運動，探桿的直線運動將1 :1地傳遞至傳感器元件。由于其運動的線性非常 好，從本質(zhì)上有效于拋掉了傳統(tǒng)傳感器的非線性誤差，大大提高了測量精度，擴大了傳感器 的測量范圍。
[0023] 3、可以通過控制電磁線圈以給定探桿的支撐力，從而根據(jù)測量過程中的探桿的晃 動狀態(tài)調(diào)節(jié)電磁線圈的支撐力，使探桿更迅速地保持住平衡，提高測量效率。
[0024] 4、探桿高度順應(yīng)工作表面變化，所以，一方面提高了測量精度，另一方面達到了在 測量中不至劃傷工件。
[0025] 5、由于磁懸浮軸承能從四周為探桿提供均勻的支承力，因此可以保證探桿有較高 的定位精度。
【附圖說明】
[0026] 圖1是杠桿鉸鏈支承式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2是彈性元件支承式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明的磁懸浮觸針式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 在實施例中，所述的探頭支承座由6個相對的磁極構(gòu)成，每個磁極磁感應(yīng)強度為：
【主權(quán)項】
1. 用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，包括測量探頭、探頭支承座、讀數(shù)傳感 器、信號處理控制裝置； 所述的測量探頭包括用于劃過被測物表面的觸針（4)，觸針安裝在懸浮式探桿（3)下 端；所述的探桿為磁體，探桿設(shè)置在探頭支承座（2)內(nèi)，并與探頭支承座間留有間隙； 所述的探頭支承座為電磁體； 讀數(shù)傳感器與測量探頭對應(yīng)，并讀取測量探頭的位置信息，讀數(shù)傳感器與信號處理控 制裝置（7)連接； 信號處理控制裝置與探頭支承座連接，用于控制探頭支承座。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，其特征是，所述 的探頭支承座為電磁鐵，其中電磁鐵線圈與信號處理控制裝置連接；信號處理控制裝置為 電磁鐵線圈提供所需電源。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，其特征是，所 述的讀數(shù)傳感器為光柵尺，其中光柵尺的讀數(shù)頭（5-2)設(shè)置在固定基座上，光柵尺的動尺 (5-1)設(shè)置在探桿上。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，其特征是，所述 的探桿穿過探頭支承座，并在探桿的上端設(shè)置動尺。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，其特征是，所述 的探桿為空心結(jié)構(gòu)，其表面為磁化材料，在探桿的下端設(shè)置觸針。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器，其特征是，所述 的探頭支承座包括外部的固定基座（1)，在固定基座（1)內(nèi)設(shè)置電磁線圈，所述的探桿穿過 固定基座及電磁線圈，并活動設(shè)置在固定基座及電磁線圈中。
【專利摘要】本發(fā)明為用于微形貌測量的磁懸浮觸針式位移傳感器。包括測量探頭、探頭支承座、讀數(shù)傳感器、信號處理控制裝置。其中觸針安裝在懸浮式探桿下端，探桿為磁體，探桿設(shè)置在探頭支承座內(nèi)并與探頭支承座間留有間隙，探頭支承座為電磁鐵。讀數(shù)傳感器與測量探頭對應(yīng)。設(shè)置有信號處理控制裝置分別與讀數(shù)傳感器及探頭支承座連接。本發(fā)明利用磁懸浮支承座和探桿間的磁力作用將探桿和觸針懸浮，徹底改變了傳統(tǒng)的機械固定接觸式探桿安裝方法，保證探桿和觸針的高順應(yīng)性，使探桿只能在垂直于工件表面方向作直線運動，從本質(zhì)拋掉了傳統(tǒng)傳感器的非線性誤差，大大提高測量精度，擴大了傳感器的測量范圍，適應(yīng)了精密加工技術(shù)的發(fā)展，更好地滿足工業(yè)測量需要。
【IPC分類】G01B11-02, G01B11-24
【公開號】CN104713496
【申請?zhí)枴緾N201510071455
【發(fā)明人】許斌, 趙世平, 陳偉, 唐海容, 劉乾乾
【申請人】四川大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年2月11日