基于原子力的角位移傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于原子力的角位移傳感器，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、原子刻度盤、原子探針、微懸臂、激光器、位敏光電探測器、放大器、反饋控制器和電腦；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座設(shè)置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸端面中心，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座受反饋控制器和電腦控制；原子刻度盤設(shè)置在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，在刻度盤表面安裝三個(gè)標(biāo)記原子；在原子刻度盤上方設(shè)置微懸臂，微懸臂末端連接原子探針和反射鏡；輸出的激光經(jīng)過反射鏡反射后，把攜帶標(biāo)記原子起伏位置的光信號輸入位敏光電探測器并被放大器放大，輸入反饋控制器和電腦存儲(chǔ)分析。在機(jī)床軸旋轉(zhuǎn)前后，掃描標(biāo)記原子的位置變化，得到軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可實(shí)現(xiàn)角位移的快速、精確測量。
【專利說明】基于原子力的角位移傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種角位移傳感器，尤其涉及一種基于原子力的角位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)床是機(jī)械加工業(yè)的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。機(jī)床的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和行程度量的精確性是機(jī)床最重要的性能指標(biāo)，對零件加工具有重大的意義。機(jī)床現(xiàn)有的度量包括轉(zhuǎn)動(dòng)角度和直線行程，度量設(shè)備有磁柵、光柵、時(shí)柵和原子刻度盤。
[0003]磁柵是在磁性柵基材料上利用與錄音技術(shù)相似的方法按一定規(guī)則充磁，然后利用磁電原理把其長度或者角度信息讀取出來。磁柵尺上相鄰柵波的間隔距離稱為磁柵的波長，又稱為磁柵的節(jié)距(柵距)。然而，磁柵中柵距比較大，磁柵分辨率很低。
[0004]光柵也稱衍射光柵，利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的譜線圖樣，光通過光柵形成單縫衍射和多縫干涉光譜。通過分析移動(dòng)前后的圖樣，就得到移動(dòng)的距離或者角度。光柵的抗干擾能力強(qiáng)，最先進(jìn)的光柵尺采用細(xì)分技術(shù)，使得精度有較大提高。然而光柵尺的制造復(fù)雜，流行的光柵尺精度只能達(dá)到約lum。
[0005]時(shí)柵是最新發(fā)展起來的測量方法，它利用時(shí)間換空間的原理來測量距離或者角度。因?yàn)閷蛩龠\(yùn)動(dòng)的物體而言，兩點(diǎn)之間的距離或者角度與物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間成正比。時(shí)柵需要對參考點(diǎn)的位置信息進(jìn)行采集，不僅要求采樣率高或者運(yùn)動(dòng)部件速度低，而且為保證采樣精度，要求運(yùn)動(dòng)部件速度均勻。因而采樣得到的數(shù)據(jù)量很有限，而且部件運(yùn)動(dòng)速度受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響可能不能保持勻速，這影響了測量的準(zhǔn)確性。
[0006]專利CN97101529.5 (具有0.01納米分辨率的原子光柵測量方法)采用先掃描探針顯微鏡獲得樣品的原子品格圖像，將其存入計(jì)算機(jī)中，然后將該圖像轉(zhuǎn)動(dòng)Φ角度，得到新的圖像；然后將兩圖像疊加成為具有莫爾條紋的原子光柵圖像。再以同樣方法獲得不同位置或適當(dāng)時(shí)間隔后的第二幅原子晶格圖像，也將其與旋轉(zhuǎn)后的原子晶格圖像相疊加，最后比較兩個(gè)原子光柵圖像的變化，即為測量結(jié)果。此測量方法將傳統(tǒng)的計(jì)量光柵原理與掃描探針顯微技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了亞原子分辨率的測量并使測量系統(tǒng)大為簡化。由于原子光柵的原子數(shù)目很大，所以測量速度慢。
[0007]申請?zhí)?00810070359 (大尺度原子?xùn)偶{米測量裝置)公開了大尺度原子?xùn)偶{米測量裝置。它包括多級減振系統(tǒng)、基座；設(shè)置在基座上的組合減振平臺(tái)，組合減振平臺(tái)上設(shè)置納米進(jìn)給工作臺(tái)，可移動(dòng)式納米進(jìn)給工作臺(tái)上設(shè)置原子?xùn)?，納米進(jìn)給工作臺(tái)帶動(dòng)原子?xùn)乓苿?dòng)；掃描隧道顯微鏡上的探針設(shè)置在原子?xùn)派戏剑结樤趬弘娞沾沈?qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)；信號采集器與掃描隧道顯微鏡相連接，脈沖電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，再輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算處理。針對一般掃描隧道顯微鏡量程小的缺點(diǎn)，此發(fā)明的測量裝置大大增加了測量量程，在X、Y方向的最大范圍為20mm，適應(yīng)納米構(gòu)件加工技術(shù)的需要。
[0008]磁柵、光柵、時(shí)柵已經(jīng)為機(jī)械加工行業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。但他們距離超高精度還比較遠(yuǎn)。因此，為了提高零件加工精度，開發(fā)度量儀器是必須的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服現(xiàn)有角度測量儀器的由于電壓不穩(wěn)定、采樣點(diǎn)數(shù)少、精度比較低等缺點(diǎn)， 本發(fā)明提供了一種基于原子力的角位移傳感器。
[0010]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
基于原子力的角位移傳感器，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、原子刻度 盤、原子探針、微懸臂、激光器、位敏光電探測器、放大器、反饋控制器和電腦；
所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座設(shè)置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸端面中心且?guī)Ы俏灰拼譁y裝置便于快速 定位標(biāo)記原子、隨軸旋轉(zhuǎn)，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座受反饋控制器和電腦控制可在XYZ坐 標(biāo)系內(nèi)作納米直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；
所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座上，原子刻度盤設(shè)置在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng) 器上，在原子刻度盤盤面上方固定一不轉(zhuǎn)動(dòng)的微懸臂，微懸臂的末端安裝有原子探針和反 射鏡；所述原子刻度盤上呈中心輻射狀設(shè)置三個(gè)標(biāo)記原子；
所述激光器輸出的激光照射微懸臂末端上的反射鏡后，攜帶原子探針位置的光信號被 位敏光電探測器接收并輸入放大器，放大器放大后的信號輸入反饋控制器，由反饋控制器 再輸入電腦。
[0011]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，三個(gè)標(biāo)記原子組成的三角形三邊長近似相等但不完
全相等。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
①在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)前后，分別掃描并對比分析原子刻度盤上原子的排布，得到旋轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；在原子刻度盤表面適當(dāng)?shù)奈恢糜迷犹结槹惭b幾個(gè)標(biāo)記原子和細(xì)分技術(shù)， 本發(fā)明就可以實(shí)現(xiàn)角位移的快速、精確測量。
[0013]②測量精度高：由于采用原子分辨率的測量方法，使測量精度達(dá)到亞納米等級。
[0014]③測量速度快：由于采用標(biāo)記原子和粗測快速定位標(biāo)記原子的相互配合，測量過 程只針對標(biāo)記原子進(jìn)行測量，而不對其他非標(biāo)記原子測量，所以速度快，并減少了針尖的磨 損；
④測量時(shí)對部件沒有勻速運(yùn)動(dòng)要求，所以采樣率可以做得很高，進(jìn)一步提高了測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖I為基于原子力的角位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]附圖中：1一位敏光電探測器；2—激光器；3—微懸臂；4一原子探針；5—標(biāo) 記原子；6—原子刻度盤；7—壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座；8—壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；9一電腦； 10—反饋控制器；11 一放大器。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖I所示，基于原子力的角位移傳感器，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座7、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8、原子刻度盤6、原子探針4、微懸臂3、激光器2、位敏光電探測器1、放大器11、反饋控制器10和電腦9。
[0019]其中，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座7設(shè)置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸端面中心且?guī)Ы俏灰拼譁y裝置便于快速定位標(biāo)記原子、隨軸旋轉(zhuǎn)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座7受反饋控制器10和電腦9的控制在XYZ坐標(biāo)系內(nèi)作納米直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給行程盡可能長，以提高測量精度。
[0020]壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座7上，原子刻度盤6設(shè)置在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器8上,隨軸旋轉(zhuǎn)。在原子刻度盤6的盤面上方固定一不轉(zhuǎn)動(dòng)的微懸臂3,微懸臂3末端安裝原子探針4和反射鏡。原子刻度盤6上呈中心輻射狀設(shè)置三個(gè)標(biāo)記原子5 (即原子刻度盤6上從中心呈輻射狀設(shè)置三個(gè)標(biāo)記原子5)，三個(gè)標(biāo)記原子5組成的三角形三邊長，近似相等但不完全相等，其長度區(qū)別可以利用存儲(chǔ)在電腦的位置數(shù)據(jù)計(jì)算出，邊長盡可能長，以提高測量精度。
[0021]激光器2輸出的激光照射微懸臂3末端上的反射鏡后，把攜帶原子探針4位置的光信號輸入位敏光電探測器I并被放大器11放大，輸入反饋控制器10和電腦9。在機(jī)床軸旋轉(zhuǎn)前后，分別掃描并對比分析原子刻度盤6上標(biāo)記原子5的排布，得到旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。
[0022]原子刻度盤6表面如果采用細(xì)分技術(shù)，該角位移傳感器可實(shí)現(xiàn)角位移的精確測量；如果采用其它輔助的粗測快速定位技術(shù)配合只測量標(biāo)記原子的位置信息，則該角位移傳感器可實(shí)現(xiàn)角位移的快速測量。
[0023]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.基于原子力的角位移傳感器，其特征在于：包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座（7)、壓電陶瓷 驅(qū)動(dòng)器（8)、原子刻度盤（6)、原子探針（4)、微懸臂（3)、激光器（2)、位敏光電探測器（I)、 放大器（11)、反饋控制器（10)和電腦（9)；所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座（7)設(shè)置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸端面中心且?guī)Ы俏灰拼譁y裝置便于快 速定位標(biāo)記原子，隨軸旋轉(zhuǎn)，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座（7)受反饋控制器（10)和電腦（9)控 制可在XYZ坐標(biāo)系內(nèi)作納米直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（8)固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器底座（7)上，原子刻度盤（6)設(shè)置在壓 電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（8)上，在原子刻度盤（6)盤面上方固定一不轉(zhuǎn)動(dòng)的微懸臂（3)，微懸臂（3)的 末端安裝有原子探針（4)和反射鏡；所述原子刻度盤（6)上呈中心輻射狀設(shè)置三個(gè)標(biāo)記原 子(5);所述激光器（2)輸出的激光照射微懸臂（3)末端上的反射鏡后，攜帶原子探針（4)位置 的光信號被位敏光電探測器（I)接收并輸入放大器（11)，放大器（11)放大后的信號輸入反 饋控制器（10)，由反饋控制器（10)再輸入電腦（9)分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于原子力的角位移傳感器，其特征在于：三個(gè)標(biāo)記原子（5) 組成的三角形三邊長近似相等但不完全相等。
【文檔編號】G01B11/26GK103591908SQ201310614811
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】古亮, 陳艷, 鄭永, 張?zhí)旌? 劉偉, 蔣東榮, 劉述喜, 賀娟 申請人:重慶理工大學(xué)