CN104713496A - 用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器。包括测量探头、探头支承座、读数传感器、信号处理控制装置。其中触针安装在悬浮式探杆下端，探杆为磁体，探杆设置在探头支承座内并与探头支承座间留有间隙，探头支承座为电磁铁。读数传感器与测量探头对应。设置有信号处理控制装置分别与读数传感器及探头支承座连接。本发明利用磁悬浮支承座和探杆间的磁力作用将探杆和触针悬浮，彻底改变了传统的机械固定接触式探杆安装方法，保证探杆和触针的高顺应性，使探杆只能在垂直于工件表面方向作直线运动，从本质抛掉了传统传感器的非线性误差，大大提高测量精度，扩大了传感器的测量范围，适应了精密加工技术的发展，更好地满足工业测量需要。

Description

用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器

技术领域

本发明公开了一种微形貌测量装置使用的触针式位移传感器。

背景技术

触针式位移传感器是形貌测量仪器的核心器件，被工业广泛地用于在线和离线零件的表面形貌测量检测和表征。

触针式测量是一种最基本的表面形貌测量方法，特别是在工程表面测量中，触针式仪器占有极其重要的地位。其特点是测量范围大、分辨率高、测量结果稳定、重复性好，所以也常作为其他形貌测量技术测量结果的比对方法；一般说来，触针式位移传感器的纵向分辨率由检测位移变化的传感元件（通常为电感、电容、光栅等）的分辨率决定；横向分辨率通常由探针尖端大小和扫描间距决定。触针一般为金刚石材质，其针尖直径在1~20um，测量过程中，金刚石触针沿工件表面滑动，工件表面的微观峰谷起伏使触针沿被测面的垂直方向上下移动，探杆将此位移变换传递给传感元件，传感元件再将位移变化转换成电信号，交由计算机处理获得工件表面微观形貌信息。因此，如何合理设计机械结构支承探杆将直接影响整个传感器的测量性能。

传统的触针式位移传感器的探杆支承方式主要有以下两种，其中每种方式又都有不同的变形结构，但是其基本原理是相同的，下面就每种方式中比较典型的结构予以说明。

1、杠杆铰链支承方式。如附图1所示，该类传感器将带有第一触针1-5和可动磁芯1-1的杠杆1-2固定在活动铰链1-3上，利用杠杆的相对运动关系将触针跟随样品表面的位移变化等效转换为可动磁芯相对于电感线圈1-4的位移变化，再由电感线圈将位移信号转换成电信号从而完成测量。

2、弹性元件支承方式。如附图2所示，该类传感器利用弹簧或弹簧片2-1等弹性元件将连有第二触针2-2的第一探杆2-3固定在基座2-4上。弹性元件会随着探杆的移动发生形变，该形变将引起差动电容2-5的电参量变化，从而将第一探杆的位移信号转换为电信号达到测量目的。该支承方式中，使用了电磁装置（包括永磁体2-7与基座上的电磁体2-6），该种方式中的电磁装置主要用于调节第二触针与工件之间的接触力，以对弹簧片的力量进行部分平衡，而对第一探杆的支撑主要还是由弹簧片完成。                      

以上两种传感器的支承方式是目前为止最为常用的，但在实际的使用中，其测量精度仍然无法更好地满足工业生产需要，其原因在于它们存在如下技术缺点：

1、在杠杆铰链支承方式中，活动铰链与杠杆之间的支承存在间隙，此间隙随着杠杆和铰链间的磨损加剧，容易给测量结果引入测量误差；同时杠杆和铰链之间存在较大的摩擦力，此摩擦力通过触针传递给被测样品，造成相对较大的测量力，容易损伤被测样品；位移的传递采用了杠杆式设计使得被测样品表面的形貌变化无法1:1的传递给位移传感元件，再在测量结果中引入非线性误差。

2、在弹性元件支承方式中，弹性元件采用了悬臂式结构，其样品表面的形貌变化非线性的传递给传感元件，再在测量结果中引入非线性误差；在形貌测量过程中，测量力随着悬臂式弹性元件的应变的不同而不同，所以造成测量力不均匀，且不易控制，悬臂式弹性元件的安装精度要求高，安装误差容易给测量结果引入较大测量误差。

以上所列举的两种传感器的支承方式均为常规的机械式接触，即探杆和支撑体是通过机械结构直接连接的，实际上目前的传感器均采用这种机械接触方式，只是接触结构不同而已，由于这种触针式的微形貌测量传感器均采用传统的机械接触式，导致其无法摆脱这种较大的非线性误差，因此传统触针式位移传感器的微形貌测量测量精度已经难以进行有效突破。

而随着精密加工技术的不断发展，对工件表面的微形貌测量要求越来越高。所以，为了降低和控制测量力，减小非线性误差，进一步增大测量范围，更好地满足工业测量需要，我们迫切需要一种新型触针式位移传感器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种结构简单，工作稳定可靠，制造成本低的磁悬浮触针式位移传感器。

   本发明的磁悬浮触针式位移传感器包括测量探头、探头支承座、读数传感器、信号处理控制装置。

   所述的测量探头包括用于划过被测物表面的触针4，触针安装在悬浮式探杆3下端；所述的探杆为磁体，探杆设置在探头支承座2内，并与探头支承座间留有间隙。

   所述的探头支承座为电磁体。

   读数传感器与测量探头对应，并读取测量探头的位置信息，读数传感器与信号处理控制装置7连接。

   信号处理控制装置与探头支承座连接，用于控制探头支承座。

   如上所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，更进一步说明为，所述的探头支承座为电磁铁，其中电磁铁线圈与信号处理控制装置连接；信号处理控制装置为电磁铁线圈提供所需电源。

   如上所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，更进一步说明为，所述的读数传感器为光栅尺，其中光栅尺的读数头5-2设置在固定基座上，光栅尺的动尺5-1设置在探杆上。

   如上所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，更进一步说明为，所述的探杆穿过探头支承座，并在探杆的上端设置动尺。

   如上所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，更进一步说明为，所述的探杆为空心结构，其表面为磁化材料，在探杆的下端设置触针。

如上所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，更进一步说明为，所述的探头支承座包括外部的固定基座1，在固定基座1内设置电磁线圈，所述的探杆穿过固定基座及电磁线圈，并活动设置在固定基座及电磁线圈中。

本发明的有益效果：

本发明利用磁悬浮支承座和探杆间的磁力作用将探杆和触针悬浮，彻底改变了传统的机械固定接触式探杆安装方法，采用这种设计方法有以下优点：

1、本发明的探杆和触针在工作过程中无任何机械摩擦，从而保证探杆和触针的高顺应性。

    2、探杆只能在垂直于工件表面方向作直线运动，因此探杆的运动为垂直于被测工件表面的直线运动，探杆的直线运动将1：1地传递至传感器元件。由于其运动的线性非常好，从本质上有效于抛掉了传统传感器的非线性误差，大大提高了测量精度，扩大了传感器的测量范围。

   3、可以通过控制电磁线圈以给定探杆的支撑力，从而根据测量过程中的探杆的晃动状态调节电磁线圈的支撑力，使探杆更迅速地保持住平衡，提高测量效率。

   4、探杆高度顺应工作表面变化，所以，一方面提高了测量精度，另一方面达到了在测量中不至划伤工件。

   5、由于磁悬浮轴承能从四周为探杆提供均匀的支承力，因此可以保证探杆有较高的定位精度。

附图说明

图1是杠杆铰链支承式位移传感器结构示意图。

图2是弹性元件支承式位移传感器结构示意图。

图3是本发明的磁悬浮触针式位移传感器结构示意图。

具体实施方式

在实施例中，所述的探头支承座由6个相对的磁极构成，每个磁极磁感应强度为：                                               

 能够提供的最大磁力为：

 其中为平衡位置处探杆与磁极的间隙，为磁导率，N为线圈匝数，S为工作气隙有效截面积，为控制电流，信号处理控制装置7通过调节电流的大小来精确控制探头支承座对探杆的磁力。

本实施例中的控杆为空心圆柱体，外径为3mm，内径为1mm，长为70mm，主体部分主要材质为聚乙烯，外侧涂有一层磁性材料，探杆3的总体质量约为0.5g；所述的触针主要材质为SiO₂，尖端为一石英半球。所述的光栅尺的动尺嵌在探杆3上并随着探杆的移动而移动，读数头固定在探头支承座2的固定基座1上。触针4与工件6之间的测量力由探杆、光栅动尺5-1和触针的重力产生，由于三者的总重量较小，因此测量力可控制在一个较小范围内。当光栅的动尺跟随探杆移动时，读数头5-2会将相对位移信号转换为电信号，再经过信号处理模块将信号送入信号处理控制装置7中，从而重构出工件表面形貌信息。

具体的工作过程为：首先通过调整触针和工件的相对位置使触针和工件接触，确定接触后在位移平台的驱动下使工件在水平方向移动，由于触针和工件之间存在微小接触力，所以工件表面的微观峰谷起伏将使触针沿被测面的垂直方向上下移动，磁悬浮轴承为探杆提供的径向支承力可保证这种上下移动的低摩擦性，高顺应性和线性，再通过光栅将这种垂直位移信号转换成电信号。

本实施例中的信号处理控制装置为计算机，即个人PC。电信号经信号处理模块传输到计算机，计算机通过计算分析即可得到工件表面微观形貌信息。

上述为实例性说明本发明实施过程，不代表本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，包括测量探头、探头支承座、读数传感器、信号处理控制装置；

所述的测量探头包括用于划过被测物表面的触针（4），触针安装在悬浮式探杆（3）下端；所述的探杆为磁体，探杆设置在探头支承座（2）内，并与探头支承座间留有间隙；

所述的探头支承座为电磁体；

读数传感器与测量探头对应，并读取测量探头的位置信息，读数传感器与信号处理控制装置（7）连接；

信号处理控制装置与探头支承座连接，用于控制探头支承座。

2.如权利要求1所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其特征是，所述的探头支承座为电磁铁，其中电磁铁线圈与信号处理控制装置连接；信号处理控制装置为电磁铁线圈提供所需电源。

3.如权利要求1所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其特征是，所述的读数传感器为光栅尺，其中光栅尺的读数头（5-2）设置在固定基座上，光栅尺的动尺（5-1）设置在探杆上。

4.如权利要求1所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其特征是，所述的探杆穿过探头支承座，并在探杆的上端设置动尺。

5.如权利要求1所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其特征是，所述的探杆为空心结构，其表面为磁化材料，在探杆的下端设置触针。

6.如权利要求1所述的用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其特征是，所述的探头支承座包括外部的固定基座（1），在固定基座（1）内设置电磁线圈，所述的探杆穿过固定基座及电磁线圈，并活动设置在固定基座及电磁线圈中。