专利名称：磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用光学和磁变量的方法及装置，特别是涉及一种磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法及其装置。
背景技术：
微动工作台提供纳米科学技术所需要的一维、二维或三维的纳米级微运动。纳米科学技术的快速发展对微动工作台提出了更高的要求，即微动工作台不但要提供大的运动范围，而且必须具有纳米级的运动精度和定位精度。现有微动工作台不能满足在实现毫米级的运动范围的同时保证纳米级的运动精度和定位精度。为了克服现有微动工作台的这种缺点，现将磁悬浮技术应用于微动工作台中，利用电磁力使运动平台产生高度(垂直)和水平方向的毫米级范围运动，同时保证纳米级的运动精度和定位精度。因此，磁悬浮微运动平台的高度实时测量与校正是保证该微动工作台实现大范围纳米级运动的关键技术。
现有的磁悬浮微运动平台的高度检测方法是采用三个电容式传感器来实现的，其存在的问题是①、电容式传感器的运动位移很小，要求的安装间距很小，并且电容的极板要求严格平行，稍有角度倾斜，就会造成较大测量误差，因此安装难度很大；②、由于三个电容式传感器的极板各自独立，因此三个传感器测出的高度一致性较差；③、采用的是变高度式的电容式传感器，所以只能在运动平台刚刚浮起时测量较为准确，一旦运动后，电容极板间的对应面积就发生变化，这时进行的高度测量就不准了，因此电容式传感器不能进行运动平台运动时的实时高度测量。
发明内容
为了克服现有的磁悬浮微运动平台不能进行运动时的实时高度测量的不足，本发明提出一种基于三个法布里(Fabry)一珀罗(Perot)干涉仪的一种磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法及其装置。该方法可实现磁悬浮微运动平台在运动时的实时高度测量，并进行校正，而且易于保证运动平台在运动时的高度一致性。
本发明的高度测量与校正方法
1)运动平台高度的测量激光光束经第一光纤至第一分束镜，在第一分束镜与固定分束镜之间形成第一个法布里一珀罗干涉，干涉信号经第一光纤、第一分光镜至第一光电探测器转换成电信号，经计算得出运动平台的高度为Δh1＝(n1+Δn1)λ/22)运动平台恒高度的校正激光光束经第二光纤至第二分束镜，在第二分束镜与固定分束镜之间形成第二个法布里—珀罗干涉，干涉信号经第二光纤、第二分光镜至第二光电探测器转换成电信号，经计算得出运动平台的高度为Δh2＝(n2+Δn2)λ/2激光光束经第三光纤至第三分束镜，在第三分束镜与固定分束镜之间形成第三个法布里—珀罗干涉，干涉信号经第三光纤、第三分光镜至第三光电探测器转换成电信号，经计算得出运动平台的高度为Δh3＝(n3+Δn3)λ/2公式中λ为激光波长，n1、n2、n3分别为三个法布里—珀罗干涉条纹信号整数周期数，Δn1、Δn2、Δn3分别为三个法布里—珀罗干涉条纹信号小数周期数；Δh1与Δh2和Δh3分别相减，得到误差δ1＝Δh1-Δh2δ2＝Δh1-Δh3若δ1、δ2不等于零，则通过分别调节四组永磁阵列与固定绕组之间电磁力的大小，使运动平台的高度产生变化，最终使得δ1＝δ2＝0，这样就达到了运动平台的恒高度。
本发明的装置包括运动平台，永磁阵列，三块分束镜，三束光纤，五块分光镜，反射镜，三个光电探测器，激光器，固定分束镜，固定绕组；在运动平台的底部四边中心对称位置分别嵌入一组永磁阵列，与每组永磁阵列对应地布置一组固定绕组，在运动平台的底部中心位置嵌入等分安装的第一、第二、第三分束镜，分别用第一、第二、第三光纤从运动平台的一侧接入运动平台的内部并分别至第一、第二、第三分束镜，固定分束镜置于四组固定绕组的中间；第一、第二、第三分束镜和固定分束镜之间形成三个法布里—珀罗干涉仪，第一、第二、第三光纤的输入端分别经各自的第一、第二、第三分光镜，分别与各自的第一、第二、第三光电探测器和各自的第五、第四分光镜、反射镜连接，第五、第四分光镜、反射镜位于同一光轴上，第五分光镜前装有激光器。
三个法布里—珀罗干涉仪有一共用分束镜，即是一块固定分束镜。
本发明具有的有益的效果是三个法布里—珀罗干涉仪的其中一块镜子合成一块，也就是三个法布里—珀罗干涉仪的一端为公共端，因此，①、三个法布里—珀罗干涉仪测出的高度具有很好的一致性；②、运动平台无论移动到什么位置，都可以与另一公共端组成法布里—珀罗干涉，这样就保证了运动平台在运动时可始终位于一个高度，这对运动平台实现恒水平方向二维运动是很重要的；③、安装高度可以较大，因此安装简便；④、运动范围大，法布里—珀罗干涉测量精度高。
本发明主要适用于纳米技术、微光机电技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的磁悬浮式、气浮式纳米级运动平台领域。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图是磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法及其装置的结构示意图。
附图中1.运动平台，2.永磁阵列，3.分束镜，4.分束镜，5.分束镜，6.光纤，7.光纤，8.光纤，9.分光镜，10.分光镜，11.分光镜，12.反射镜，13.分光镜，14.分光镜，15.光电探测器，16.光电探测器，17.光电探测器，18.激光器，19.固定分束镜，20.固定绕组。
具体实施例方式
如附图所示，本发明的磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法及其装置，包括运动平台1，永磁阵列2，三块分束镜3、4、5，三束光纤6、7、8，五块分光镜9、10、11、13、14，反射镜12，三个光电探测器15、16、17，激光器18，固定分束镜19，固定绕组20。在运动平台1的底部四边中心对称位置嵌入四组永磁阵列2，与每组永磁阵列2对应地布置四组固定绕组20，这样永磁阵列与固定绕组之间电磁力的相互作用，就使运动平台产生高度(垂直)和水平方向的运动。在运动平台1的底部中心位置嵌入第一分束镜4、第二分束镜3、第三分束镜5，第一束光纤6、第二束光纤7、第三束光纤8从运动平台1的一侧进入运动平台1的内部并分别至第一分束镜4、第二分束镜3和第三分束镜5，固定分束镜19布置在四组固定绕组20的中间；固定分束镜19的面积比第一分束镜4、第二分束镜3和第三分束镜5所占的位置面积大，也就是说在需要的运动范围(例如60mm×60mm、300mm×300mm)内运动平台1运动时第一分束镜4、第二分束镜3和第三分束镜5都不超出固定分束镜19的范围；激光器(He-Ne激光器)18发出一束激光经第五分光镜14、第四分光镜13的分光和反射镜12的反射后，分别射向第一分光镜9、第二分光镜10和第三分光镜11，透过第一分光镜9、第二分光镜10和第三分光镜11的光束直接耦合分别进入第一束光纤6、第二束光纤7和第三束光纤8，由这三束光纤将激光束传导至第一分束镜4、第二分束镜3和第三分束镜5并透过，分别在第一分束镜4、第二分束镜3和第三分束镜5至固定分束镜19之间形成三个法布里—罗干涉，第一分束镜4与固定分束镜19组成第一个法布里—珀罗干涉仪，第二分束镜3与固定分束镜19组成第二个法布里—珀罗干涉仪，第三分束镜5与固定分束镜19组成第三个法布里—珀罗干涉仪，三个干涉仪的干涉信号分别经第一束光纤6、第二束光纤7和第三束光纤8以及第一分光镜9、第二分光镜10和第三分光镜11射向第一光电探测器17、第二光电探测器16和第三光电探测器15，由这三个光电探测器将干涉信号转换成电信号，根据公式h=(n+Δn)·λ2]]>可以获得每个干涉仪测得的运动位移，公式中λ为He-Ne激光器18的波长632.8nm、n为干涉条纹信号整数周期数、Δn为干涉条纹信号小数周期数。
分别向四组固定绕组20通电，则四组永磁阵列2与固定绕组20之间电磁力的相互作用就使运动平台1产生高度(垂直)和水平方向的运动；用三个法布里—珀罗干涉仪可以实时测量运动平台1高度方向的运动位移；根据三点确定一个平面的方法，通过分别调节四组永磁阵列2与固定绕组20之间电磁力的大小，使三个法布里—珀罗干涉仪测得的运动平台1高度方向的位移均相等，即可保证运动平台1在恒水平方向上运动。
由附图可以看出，嵌入在运动平台1中的光纤6、7、8和分束镜4、3、5随运动平台1一起运动，但是在运动范围内无论运动到什么位置，分束镜4、3、5仍可与固定分束镜19形成法布里—珀罗干涉，这样的优点是无论运动平台1运动到什么位置，都可保证与运动时的起始位置具有相同的高度，即运动高度一致性好；而且，三个法布里—珀罗干涉仪具有公共端固定分束镜19，因此三个法布里—珀罗干涉仪测得的高度一致性好。
权利要求
1.一种磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法，其特征在于1)运动平台高度的测量激光光束经第一光纤至第一分束镜，在第一分束镜与固定分束镜之间形成第一个法布里—珀罗干涉，干涉信号经第一光纤、第一分光镜至第一光电探测器转换成电信号，经计算得出运动平台的高度为Δh1＝(n1+Δn1)λ/22)运动平台恒高度的校正激光光束经第二光纤至第二分束镜，在第二分束镜与固定分束镜之间形成第二个法布里—珀罗干涉，干涉信号经第二光纤、第二分光镜至第二光电探测器转换成电信号，经计算得出运动平台的高度为Δh2＝(n2+Δn2)λ/2激光光束经第三光纤至第三分束镜，在第三分束镜与固定分束镜之间形成第三个法布里—珀罗干涉，干涉信号经第三光纤、第三分光镜至第三光电探测器转换成电信号，经计算得出运动平台的高度为Δh3＝(n3+Δn3)λ/2公式中λ为激光波长，n1、n2、n3分别为三个法布里—珀罗干涉条纹信号整数周期数，Δn1、Δn2、Δn3分别为三个法布里—珀罗干涉条纹信号小数周期数；Δh1与Δh2和Δh3分别相减，得到误差δ1＝Δh1-Δh2δ2＝Δh1-Δh3若δ1、δ2不等于零，则通过分别调节四组永磁阵列与固定绕组之间电磁力的大小，使运动平台的高度产生变化，最终使得δ1＝δ2＝0，这样就达到了运动平台的恒高度。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法的装置，其特征在于它包括运动平台(1)，永磁阵列(2)，三块分束镜(3、4、5)，三束光纤(6、7、8)，五块分光镜(9、10、11、13、14)，反射镜(12)，三个光电探测器(15、16、17)，激光器(18)，固定分束镜(19)，固定绕组(20)；在运动平台(1)的底部四边中心对称位置分别嵌入一组永磁阵列(2)，与每组永磁阵列(2)对应地布置一组固定绕组(20)，在运动平台(1)的底部中心位置嵌入等分安装的第一、第二、第三分束镜(4、3、5)，分别用第一、第二、第三光纤(6、7、8)从运动平台(1)的一侧接入运动平台(1)的内部并分别至第一、第二、第三分束镜(4、3、5)，固定分束镜(19)置于四组固定绕组(20)的中间；第一、第二、第三分束镜(4、3、5)和固定分束镜(19)之间形成三个法布里—珀罗干涉仪，第一、第二、第三光纤(6、7、8)的输入端分别经各自的第一、第二、第三分光镜(9、10、11)，分别与各自的第一、第二、第三光电探测器(17、16、15)和各自的第五、第四分光镜(14、13)、反射镜(12)连接，第五、第四分光镜(14、13)、反射镜(12)位于同一光轴上，第五分光镜(14)前装有激光器(18)。
3.根据权利要求2所述的一种磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法的装置，其特征在于三个法布里—珀罗干涉仪有一共用分束镜，即是一块固定分束镜(19)。
全文摘要
本发明公开了一种磁悬浮微运动平台高度测量与校正方法及其装置。在运动平台的下面四边中心对称位置嵌入四组永磁阵列，与每组永磁阵列对应地布置四组固定绕组，永磁阵列与固定绕组之间电磁力的相互作用，就使运动平台产生高度(垂直)和水平方向的运动。在运动平台下面的中心位置等分嵌入三块分束镜，与布置在四组固定绕组之间的一块大的固定分束镜组成三个法布里—珀罗干涉仪。干涉仪测量运动平台高度方向的运动位移。根据三点确定一个平面的方法，通过分别调节四组永磁阵列与固定绕组之间电磁力的大小，使三个干涉仪的分束镜与固定分束镜之间的距离相等，即可保证运动平台在恒水平方向上运动。本发明主要适用于纳米技术、微光机电技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的磁悬浮式、气浮式纳米级运动平台领域。
文档编号G01B21/08GK1529125SQ20031010800
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月15日 优先权日2003年10月15日
发明者陈本永, 王俊茹, 孙政荣, 吴晓维, 雷勇 申请人:浙江工程学院