专利名称：基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，属于测量装置技术领域。
背景技术：
目前使用的接触式表面形貌测量仪种类较多，例如英国Rank Taylor Hobson公司研制并生产的Form Talysurf系列产品，但是对于现有的接触式表面形貌测量仪，它们存在一些共同的问题(1)由于测量过程中只是触针在作绕杠杆支点的转动，所以存在传统触针式测量方法的原理误差；(2)当电感工作在非线性区时有非线性误差；(3)不能进行大量程测量，如曲面、沟槽和小圆弧测量等；(4)量程越大，测量的原理误差、非线性误差和测量力就越大。
上述问题反映了这些仪器的缺陷，使其在进行大量程测量时受到了限制。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种功能强，高性价比的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，实现高分辨率、大量程和高精度的测量。
本实用新型的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，它包括电感位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服运动装置，用于探测电感零位偏移信号的接触式电感位移传感器安装在三维垂直位移扫描工作台的上方，电感位移传感器的零位偏移信号输入数字伺服运动装置，数字伺服运动装置输出控制信号至三维垂直位移扫描工作台的压电陶瓷和三个方向的驱动电机，在三维垂直位移扫描工作台上设有用于对工作台的垂直位移进行扫描和采集的衍射光栅位移传感器，衍射光栅位移传感器的信号输入数字伺服运动装置中的计算机进行处理后作为测量结果。
上述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，电感位移传感器由磁芯(1)、电感线圈(2)、支点(3)、杠杆(4)和触针(5)组成，支点(3)上的杠杆(4)两端分别设有触针(5)和磁芯(1)，磁芯(1)插入电感线圈(2)内，电感线圈(2)的信号输入数字伺服运动装置。
上述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，三维垂直位移扫描工作台由垂直位移扫描工作台、X-Y工作台(11)和衍射光栅位移传感器(8)组成；可垂直移动的垂直位移扫描工作台安装在X-Y工作台(11)上，垂直位移扫描工作台上设有衍射光栅位移传感器(8)。
上述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，垂直位移扫描工作台由斜面机构(10)、压电陶瓷(9)和工作台(7)组成；带电机的斜面机构(10)安装在X-Y工作台(11)上，斜面机构(10)上方设有压电陶瓷(9)，压电陶瓷(9)上方为放置工件(6)的工作台(7)。
上述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，数字伺服运动装置由计算机(12)、X-Y方向电机驱动电路(13)、斜面机构电机驱动电路(14)、电感位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)和压电陶瓷驱动电路(17)组成；计算机(12)的输入端连接电感位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)的输出端，计算机(12)的输出端连接压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(14)和X-Y方向电机驱动电路(13)。
上述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，衍射光栅位移传感器(11)由反射光栅(18)、直角棱镜(19)、光电接收器(20)和He-Ne激光器(21)组成，反射光栅(18)安装在垂直位移扫描工作台上，He-Ne激光器(21)安装在反射光栅(18)前方，二个直角棱镜(19)分别设在反射光栅(18)两侧45度位置，反射光栅(18)前方还设有光电接收器(19)。
本实用新型的测量装置由接触式电感位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服运动装置组成，并与其他组件共同构建了整个闭环控制的接触式表面形貌测量装置。本装置不同于传统的测量装置只转动杠杆的测量方式，计算机根据接触式电感位移传感器的零位偏移信号控制压电陶瓷及电机去驱动工作台以实现垂直位移扫描的伺服运动，使接触式电感位移传感器的零位偏移信号为零，即测量杠杆总是在平衡位置，避免了现有接触式表面形貌测量装置的问题，提高了测量的精度。同时采用光栅衍射得到的干涉条纹测量工作台的移动距离，通过测量干涉条纹的相移变化得到工作台垂直方向位移的测量数据，大大提高了测量精度。如果本实用新型选择的光栅常数为1/1200mm，其干涉条纹变化一个周期时，光栅移动量为1/4800mm，即为200nm，经两次衍射，以及对信号20细分，最终测量数据可达5nm的分辨率。
因此本实用新型真正实现了高精度、大量程的测量，并且具有速度快、性价比高的特点。本实用新型可对不同材料构件的轮廓尺寸、形状、波度及表面粗糙度的二、三维接触式综合测量，包括任意曲面形貌测量、球面和非球面轮廓测量等，也可对MEMS的几何尺寸、形状、振动等进行非接触测量。
附图1为本实用新型的结构示意图；附图2为本实用新型的测量流程示意图；附图3为衍射光栅位移传感器的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的实施例。如附图1所示，本实用新型的测量仪主要包括电感位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服运动装置三大部分，接触式电感位移传感器用于探测在测量过程中由工件表面形貌所引起的电感零位偏移信号，安装在垂直位移扫描工作台的上方，电感位移传感器的零位偏移信号输入数字伺服运动装置，三维垂直位移扫描工作台上面放置需测量的工件；数字伺服聚焦装置用于记录、处理各个数据，并根据得到的数据输出控制信号至三维垂直位移扫描工作台的压电陶瓷和三个方向的驱动电机，驱动三维垂直位移扫描工作台运动从而使电感位移传感器的零位偏移信号近似为零，在三维垂直位移扫描工作台上安装衍射光栅位移传感器，衍射光栅位移传感器用于对工作台的垂直位移进行扫描和采集，衍射光栅位移传感器的扫描信号输入数字伺服聚焦装置中的计算机进行处理后作为测量结果。
本实施例的电感位移传感器由磁芯(1)、电感线圈(2)、支点(3)、杠杆(4)和触针(5)组成，支点(3)上的杠杆(4)两端分别安装有触针(5)和磁芯(1)，磁芯(1)插入电感线圈(2)内，电感线圈(2)的信号输入数字伺服运动装置，通过杠杆(4)的作用，将触针(5)的位移信号转换为电感线圈(2)的电感信号。
三维垂直位移扫描工作台由垂直位移扫描工作台、X-Y工作台(11)和衍射光栅位移传感器(8)组成；可垂直移动的垂直位移扫描工作台安装在X-Y工作台(11)上，垂直位移扫描工作台上安装衍射光栅位移传感器(8)；其中，垂直位移扫描工作台由斜面机构(10)、压电陶瓷(9)和工作台(7)组成；它分粗、精两级驱动，粗驱动由斜面机构(10)及其伺服电机完成，斜面机构(10)的斜面斜度为1∶10，丝杆螺距为1mm，伺服电机输出10000脉冲/转，则每步垂直位移量为10nm，行程设计为10mm。斜面机构(10)安装在X-Y工作台(11)上，精驱动由压电陶瓷(9)完成，其设计行程为30μm；斜面机构(10)上方为压电陶瓷(9)，压电陶瓷(9)上方为放置工件(6)的工作台(7)。
数字伺服运动装置由计算机(12)、X-Y方向电机驱动电路(13)、斜面机构电机驱动电路(14)、电感位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)和压电陶瓷驱动电路(17)组成；计算机(12)的输入端连接电感位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)的输出端，计算机(12)的输出端连接压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(14)和X-Y方向电机驱动电路(13)；计算机(12)处理来自电感线圈(2)和三维垂直位移扫描工作台(8)的信号，控制和驱动压电陶瓷(12)、斜面机构(13)和X-Y工作台(11)的电机，实现数字伺服运动。
工作时，将工件(6)放在工作台(7)上，在X向电机驱动下沿X轴方向移动，得到一个测量点的X坐标，杠杆(4)一侧的触针(5)始终接触被测工件(6)的表面，并因表面轮廓的起伏而上下移动，带动杠杆(4)绕支点(3)旋转，从而引起磁芯(1)在电感线圈(2)中的位移，电感信号偏移其零位，该信号经放大，A/D转换处理送与计算机(12)，由计算机(12)控制Z向(即垂直方向)驱动电机驱动斜面机构(10)垂直移动，并经过压电陶瓷(9)微调，带动工件(6)随之垂直移动，最终使得杠杆(4)回到平衡位置，杠杆(4)是否回到平衡位置由电感线圈(2)的信号是否处于零位来判断。这时工件(6)垂直移动的距离由衍射光栅位移传感器(8)扫描并采集到，这个距离即为工件(6)表面轮廓在该测量点垂直方向上的变动，该信号经光电信号处理电路(前置放大，细分，辨向，计数)送到计算机，即为一个采集到的Z向坐标，如此重复该过程，可得到一系列数据，送到计算机经表面轮廓评定软件处理即可得到测量结果。
为了精确计量工作台(7)的移动距离，在三维垂直位移扫描工作台上安装反射光栅，激光入射到反射光栅，经反射光栅一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光，通过置于两侧的直角棱镜将+1级和-1级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点，经过二次衍射后，将在垂直于Y轴放置的光电探测器上形成干涉条纹；当工作台(7)垂直运动时，将引起干涉条纹的相移，通过探测条纹的变化即可得到工件(6)的位移数据。光栅移动d/4距离时，条纹相移为2π，即变化一个周期。本系统采用的光栅，其光栅常数为1/1200mm，因此干涉条纹变化一个周期时，光栅移动量为1/4800mm，即为200nm，经两次衍射，以及对信号20细分，可达5nm的分辨率。
权利要求1.一种基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，它包括电感位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服运动装置，其特征在于用于探测电感零位偏移信号的接触式电感位移传感器安装在三维垂直位移扫描工作台的上方，电感位移传感器的零位偏移信号输入数字伺服运动装置，数字伺服运动装置输出控制信号至三维垂直位移扫描工作台的压电陶瓷和三个方向的驱动电机，在三维垂直位移扫描工作台上设有用于对工作台的垂直位移进行扫描和采集的衍射光栅位移传感器，衍射光栅位移传感器的信号输入数字伺服运动装置中的计算机。
2.根据权利要求1所述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，其特征在于电感位移传感器由磁芯(1)、电感线圈(2)、支点(3)、杠杆(4)和触针(5)组成，支点(3)上的杠杆(4)两端分别设有触针(5)和磁芯(1)，磁芯(1)插入电感线圈(2)内，电感线圈(2)的信号输入数字伺服运动装置。
3.根据权利要求1所述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，其特征在于三维垂直位移扫描工作台由垂直位移扫描工作台、X-Y工作台(11)和衍射光栅位移传感器(8)组成；可垂直移动的垂直位移扫描工作台安装在X-Y工作台(11)上，垂直位移扫描工作台上设有衍射光栅位移传感器(8)。
4.根据权利要求1或3所述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，其特征在于垂直位移扫描工作台由斜面机构(10)、压电陶瓷(9)和工作台(7)组成；带电机的斜面机构(10)安装在X-Y工作台(11)上，斜面机构(10)上方设有压电陶瓷(9)，压电陶瓷(9)上方为放置工件(6)的工作台(7)。
5.根据权利要求1所述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，其特征在于数字伺服运动装置由计算机(12)、X-Y方向电机驱动电路(13)、斜面机构电机驱动电路(14)、电感位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)和压电陶瓷驱动电路(17)组成；计算机(12)的输入端连接电感位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)的输出端，计算机(12)的输出端连接压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(14)和X-Y方向电机驱动电路(13)。
6.根据权利要求1所述的基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量仪，其特征在于衍射光栅位移传感器(11)由反射光栅(18)、直角棱镜(19)、光电接收器(20)和He-Ne激光器(21)组成，反射光栅(18)安装在垂直位移扫描工作台上，He-Ne激光器(21)安装在反射光栅(18)前方，二个直角棱镜(19)分别设在反射光栅(18)两侧45度位置，反射光栅(18)前方还设有光电接收器(19)。
专利摘要本实用新型公开了一种基于垂直位移扫描的接触式表面形貌测量测量仪，它由接触式电感位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服运动装置组成，并与其他组件共同构建了整个闭环控制的接触式表面形貌测量装置。本装置不同于传统的测量装置只转动杠杆的测量方式，将聚焦物镜位置固定，通过移动工作台来测量数据，提高了测量的精度，同时采用光栅衍射得到干涉条纹，通过对干涉条纹的相移变化得到工作台垂直方向位移的测量数据，大大提高了测量精度。从而真正实现了高精度、大量程的非接触测量，并且具有速度快、性价比高的特点。本实用新型可对不同材料构件的轮廓尺寸、形状、波度及表面粗糙度的二、三维非接触式综合测量。
文档编号G01B21/30GK2867288SQ20062020006
公开日2007年2月7日 申请日期2006年1月24日 优先权日2006年1月24日
发明者杨旭东, 陈育荣, 李屹, 谢铁邦 申请人:贵州大学