专利名称：基于pvdf的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法
技术领域：
本发明涉及一种可以应用在各种高精度、微测量力的软材料、微型机械零件、微器件、超精密光学器件等三维形貌测量领域中的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法。
背景技术：
近年来，纳米定位技术的发展使超精加工和超微加工进入了纳米技术的新时代， 使对微小位移量和微小物体的测量达到了纳米、亚纳米量级，对微纳米三坐标测量机(CMM) 尤其微纳米测头提出高精度、低测量力等更高要求，目前还没有成熟的技术可以满足需求。
现有微纳米CMM测头一般有接触式测头和非接触式测头。接触式测头是测头与试样直接接触，通过采集处理试样表面轮廓点三维坐标得出三维形貌信息；非接触式测头一般是根据光学原理，配以光路设计来获取表面形貌数据。接触式测头可靠性好、精度高，但测头与试样表面接触时产生的测力可能引起弹性甚至塑性形变，尤其不能测量柔软材料。 非接触式测头避免了接触测力的影响，测量速度和采样频率高，但受物表特性影响较大，不能达到接触式测头的分辨率和不确定度。发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于PVDF的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法，利用PVDF的压电特性、高谐振特性和对微小力的高敏感性，与一体式微测杆测头相结合，构成微测力三维谐振触发测头，用于实现对软材料、 微器件、超精密光学器件等高精度、低测量力的三维谐振触发测量和定位。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案
本发明基于PVDF的三维谐振触发测头的结构特点是采用PVDF压电薄膜作为具有简支梁结构的振动梁，将所述PVDF压电薄膜的左右两端分别固定在两个相同结构的压电驱动器的外侧，所述两个相同结构的压电驱动器的内侧对称固定设置在T型测头架的两侧，在所述PVDF压电薄膜的下表面的中央位置处固定设置一体式微测杆测头；
以正弦交流信号施加于所述压电驱动器上作为励振信号，驱动所述PVDF压电薄膜带动一体式微测杆测头工作于谐振状态；
设置由所述PVDF压电薄膜所带动的一体式微测杆测头在试样的表面进行Z方向的测试为轻敲模式；设置由所述PVDF压电薄膜所带动的一体式微测杆测头在试样的侧部进行X方向和Y方向的测试为摩擦模式；检测PVDF压电薄膜的极化表面差动电荷信号的变化用以表征所述一体式微测杆测头与试样的触碰程度。
本发明基于PVDF的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法的特点是以所述三维谐振触发测头保持不动，以试样在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样表面的三维触发定位；或试样保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成其在试样表面的三维触发定位。
本发明利用PVDF薄膜的压电特性、高谐振特性和对微小力的高敏感性，与一体式微测杆测头结合构建PVDF振动梁式微测头系统，通过驱动信号驱动测头达到谐振状态，由信号处理电路检测处理PVDF压电薄膜极化表面产生的电信号并与设定电压值比较实现振幅反馈，实现三维谐振触发测头的测量与三维谐振触发定位。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明采用PVDF压电薄膜同时作为简支梁和微力传感器，采用一体式微测杆测球构成振动梁式三维测头，可对多种微型器件实现高精度三维形貌测量。2、本发明振动梁式三维测头工作于谐振状态，一体式微测杆测头与试样以数百nN 级微测力轻敲模式或摩擦模式扫描，可实现对柔软材料进行低破坏性微小力测量。3、本发明经实验验证，在X、Y、Z三个方向均能达到亚纳米量级分辨率，其中X方向上的系统测量分辨率约为0. 22nm ；Y方向上系统测量分辨率约为0. 29nm ；Z方向上系统垂直分辨率约为0. ^nm。
图Ia是本发明PVDF三维谐振测头在Z向上工作示意图；图Ib是本发明PVDF三维谐振测头在X、Y向上工作示意图；图加是本发明测头PVDF压电薄膜的幅频图；图2b是本发明测头PVDF压电薄膜与微测杆测球组合后的幅频图；图3a是本发明中PVDF测头在Z方向自由振动示意图；图北是本发明中PVDF测头在Z方向自由振动波形图；图如是本发明中Z方向微测杆测球轻触试样时PVDF测头振动示意图；图4b是本发明中Z方向微测杆测球轻触试样时PVDF测头振动波形图；图fe是本发明中PVDF测头在X、Y向自由振动示意图；图恥是本发明中PVDF测头自由振动波形图；图6a是本发明中X、Y方向微测杆测球摩擦试样时PVDF测头振动示意图；图6b是本发明中X、Y方向微测杆测球摩擦试样时PVDF测头振动波形图；图7a是本发明中X方向力曲线实验结果；图7b是本发明中Y方向力曲线实验结果；图7c是本发明中Z方向力曲线实验结果；图中标号1为PVDF压电薄膜；2为压电驱动器；3为T型测头架；4为一体式微测杆测头；5试样；6正弦交流信号；7差动电荷信号。
具体实施例方式本实施例中基于PVDF的三维谐振触发测头的结构形式是如图Ia和图Ib所示，采用PVDF压电薄膜1作为具有简支梁结构的振动梁，同时也是作为微力传感器，将PVDF压电薄膜1的左右两端分别固定在两个相同结构的PZT压电驱动器2的外侧，两个相同结构的压电驱动器2的内侧对称固定设置在T型测头架3的两侧，在PVDF压电薄膜1的下表面的中央位置处固定设置一体式微测杆测头4，试样5呈水平放置。
以正弦交流信号施加于压电驱动器2上作为励振信号，驱动PVDF压电薄膜1带动一体式微测杆测头4工作于谐振状态；设置由PVDF压电薄膜1所带动的一体式微测杆测头4在试样5的表面进行Z方向的测试为轻敲模式；设置由PVDF压电薄膜1所带动的一体式微测杆测头4在试样5的侧部进行X方向和Y方向的测试为摩擦模式；设置信号处理电路用于检测并处理PVDF压电薄膜1的极化表面差动电荷信号的变化，用以表征一体式微测杆测头4与试样5的触碰程度。测量方法水平放置试样5，以正弦交流信号6激励压电驱动器2，使PVDF压电薄膜1与一体式微测杆测头4构成的测头系统达到谐振状态，以恒定振幅自由振动，PVDF压电薄膜1表面产生极化电荷信号；同时将PVDF压电薄膜1作为微力传感器，当一体式微测杆测头4在Z 向以轻敲模式或在X、Y向以摩擦模式与试样5的表面接触时，由于能量泄露，导致PVDF压电薄膜1测头系统振幅减小，表面电荷量衰减，通过检测处理放大该差动电荷信号7并与设定电压信号比较输出压差信号，结合控制系统实现振幅反馈控制，即实现测头系统在X、Y、Z 三方向的谐振触发测量与定位，并得到相应的力曲线图形。本实施例中，基于PVDF的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法是以三维谐振触发测头保持不动，以试样5在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样表面的三维触发定位；或试样5保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成其在试样表面的三维触发定位。图加所示为PVDF压电薄膜未加装一体式微测杆测头时的幅频图，谐振频率约为 3470Hz，其所对应的前放电压信号幅值为0. 79V，品质因数Q约为45 ；图2b所示为PVDF压电薄膜与一体式微测杆测头结合后的幅频图，其谐振频率为M06Hz，谐振峰值为2. 6V，其品质因数Q约为四。图3a为Z方向PVDF三维谐振触发测头自由振动示意图，图北为Z方向PVDF三维谐振触发测头自由振动波形图，图北中横坐标t表示时间，纵坐标A表示测头系统谐振幅值。一体式微测杆测头与试样不接触时，测头系统以较大振幅A0处于自由谐振状态，如图3a和图北所示；由于谐振状态PVDF压电薄膜测头系统对微力的高敏感性，当一体式微测杆测头不断逼近试样表面至轻敲模式接触时，能量泄露导致测头系统振幅衰减至A1,如图如图4b所示。同理，图fe和图恥所示分别为PVDF三维谐振触发测头在X、Y向自由振动示意图及自由振动波形图，图6a为三维谐振触发测头在X、Y方向以摩擦模式接触试样的示意图， 图6b为该摩擦模式下测头系统振动波形图。本发明三维谐振触发测头具有亚纳米量级的空间分辨率，通过实验测试，在X方向上系统噪声水平约6mV，灵敏度可以达到27. 7V/ μ m,系统垂直分辨率0. 22nm,如图7a所示。在Y方向上系统噪声水平约9mV，灵敏度可以达到31. IV/μ m，系统垂直分辨率0. 29nm, 如图7b所示。在Z方向上系统噪声水平约9mV，灵敏度可以达到35V/ μ m,系统垂直分辨率 0. 26nm，如图7c所示。
权利要求
1.一种基于PVDF的三维谐振触发测头，其特征是采用PVDF压电薄膜(1)作为具有简支梁结构的振动梁，将所述PVDF压电薄膜(1)的左右两端分别固定在两个相同结构的压电驱动器O)的外侧，所述两个相同结构的压电驱动器O)的内侧对称固定设置在T型测头架C3)的两侧，在所述PVDF压电薄膜(1)的下表面的中央位置处固定设置一体式微测杆测头⑷；以正弦交流信号施加于所述压电驱动器(2)上作为励振信号，驱动所述PVDF压电薄膜 (1)带动一体式微测杆测头(4)工作于谐振状态；设置由所述PVDF压电薄膜⑴所带动的一体式微测杆测头⑷在试样(5)的表面进行Z方向的测试为轻敲模式；设置由所述PVDF压电薄膜(1)所带动的一体式微测杆测头 ⑷在试样(5)的侧部进行X方向和Y方向的测试为摩擦模式；检测PVDF压电薄膜⑴的极化表面差动电荷信号的变化用以表征所述一体式微测杆测头(4)与试样的触碰程度。
2.—种权利要求1所述基于PVDF的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法，其特征是以所述三维谐振触发测头保持不动，以试样( 在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样表面的三维触发定位；或试样( 保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成其在试样表面的三维触发定位。
全文摘要
本发明公开了一种基于PVDF的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法，其特征是采用PVDF压电薄膜作为具有简支梁结构的振动梁，将压电薄膜左右两端分别固定在两个相同结构的压电驱动器的外侧，压电驱动器的内侧对称固定设置在T型测头架的两侧，在压电薄膜的下表面的中央位置处固定设置一体式微测杆测头；以正弦交流信号施加于压电驱动器上作为励振信号，驱动压电薄膜带动一体式微测杆测头工作于谐振状态；设置由压电薄膜所带动的一体式微测杆测头在试样的表面进行Z向测试为轻敲模式；在试样侧部进行X向和Y向测试为摩擦模式；检测PVDF压电薄膜的极化表面差动电荷信号的变化用以表征一体式微测杆测头与试样的触碰程度。本发明可应用于各种高精度、微测量力的软材料、微器件、超精密光学器件等三维形貌测量。
文档编号G01B7/28GK102538657SQ20111045707
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者余惠娟, 宫二敏, 李志渤, 魏晋鹏, 黄帅, 黄强先 申请人:合肥工业大学