專利名稱：基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法及測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法及測量儀，屬于測量裝置
背景技術(shù)：
目前使用的接觸式表面形貌測量儀種類較多，例如英國Rank Taylor Hobson公司研制并生產(chǎn)的Form Talysurf系列產(chǎn)品，但是對于現(xiàn)有的接觸式表面形貌測量儀，它們存在一些共同的問題(1)由于測量過程中只是觸針在作繞杠桿支點的轉(zhuǎn)動，所以存在傳統(tǒng)觸針式測量方法的原理誤差；(2)當(dāng)電感工作在非線性區(qū)時有非線性誤差；(3)不能進行大量程測量，如曲面、溝槽和小圓弧測量等；(4)量程越大，測量的原理誤差、非線性誤差和測量力就越大。
上述問題反映了這些儀器的缺陷，使其在進行大量程測量時受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種功能強，高性價比的基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法及測量儀，實現(xiàn)高分辨率、大量程和高精度的測量。
本發(fā)明的基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法是這樣實現(xiàn)的，將工件放在可移動的三維垂直位移掃描工作臺上，用接觸式電感位移傳感器測量工件的表面，計算機根據(jù)傳感器的零位偏移信號驅(qū)動工作臺垂直運動，使接觸式電感位移傳感器的零位偏移信號近似為零，即測量杠桿總是在平衡位置，衍射光柵位移傳感器掃描和采集工作臺垂直移動的距離作為測量數(shù)據(jù)，輸入計算機中作為工作臺在該X-Y-Z坐標(biāo)上采集到的Z坐標(biāo)，通過移動工作臺，重復(fù)采集多個坐標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機處理后即可得到測量的工件表面形貌。
上述的基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法，在工作臺上固定反射光柵，利用激光入射到反射光柵，經(jīng)反射光柵一次衍射后形成+1級和-1級兩束衍射光，通過置于兩側(cè)的直角棱鏡將+1級和-1級衍射光反射回光柵并匯聚于光柵上另一點，經(jīng)過二次衍射后，將在垂直于Y軸放置的光電探測器上形成干涉條紋；當(dāng)工作臺垂直運動時，將引起干涉條紋的相移，通過探測條紋的變化即可得到工件的位移數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的測量儀，它包括電感位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服運動裝置，用于探測電感零位偏移信號的接觸式電感位移傳感器安裝在垂直位移掃描工作臺的上方，電感位移傳感器的零位偏移信號輸入數(shù)字伺服運動裝置，數(shù)字伺服運動裝置輸出控制信號至三維垂直位移掃描工作臺的壓電陶瓷和三個方向的驅(qū)動電機，在三維垂直位移掃描工作臺上設(shè)有用于對工作臺的垂直位移進行掃描和采集的衍射光柵位移傳感器，衍射光柵位移傳感器的信號輸入數(shù)字伺服運動裝置中的計算機。
上述的測量儀，電感位移傳感器由磁芯(1)、電感線圈(2)、支點(3)、杠桿(4)和觸針(5)組成，支點(3)上的杠桿(4)兩端分別設(shè)有觸針(5)和磁芯(1)，磁芯(1)插入電感線圈(2)內(nèi)，電感線圈(2)的信號輸入數(shù)字伺服運動裝置。
上述的測量儀，三維垂直位移掃描工作臺由垂直位移掃描工作臺、X-Y工作臺(11)和衍射光柵位移傳感器(8)組成；可垂直移動的垂直位移掃描工作臺安裝在X-Y工作臺(11)上，垂直位移掃描工作臺上設(shè)有衍射光柵位移傳感器(8)。
上述的測量儀，垂直位移掃描工作臺由斜面機構(gòu)(10)、壓電陶瓷(9)和工作臺(7)組成；帶電機的斜面機構(gòu)(10)安裝在X-Y工作臺(11)上，斜面機構(gòu)(10)上方設(shè)有壓電陶瓷(9)，壓電陶瓷(9)上方為放置工件(6)的工作臺(7)。
上述的測量儀，數(shù)字伺服運動裝置由計算機(12)、X-Y方向電機驅(qū)動電路(13)、斜面機構(gòu)電機驅(qū)動電路(14)、電感位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)和壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)組成；計算機(12)的輸入端連接電感位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)的輸出端，計算機(12)的輸出端連接壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機構(gòu)電機驅(qū)動電路(14)和X-Y方向電機驅(qū)動電路(13)；計算機(12)處理來自電感線圈(2)和衍射光柵位移傳感器(8)的信號，控制和驅(qū)動壓電陶瓷(12)、斜面機構(gòu)(13)和X-Y工作臺(11)的電機，實現(xiàn)數(shù)字伺服運動。
上述的測量儀，衍射光柵位移傳感器(11)由反射光柵(18)、直角棱鏡(19)、光電接收器(20)和He-Ne激光器(21)組成，反射光柵(18)安裝在垂直位移掃描工作臺上，He-Ne激光器(21)安裝在反射光柵(18)前方，二個直角棱鏡(19)分別設(shè)在反射光柵(18)兩側(cè)45度位置，反射光柵(18)前方還設(shè)有光電接收器(19)。
本發(fā)明的測量裝置由接觸式電感位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服運動裝置組成，并與其他組件共同構(gòu)建了整個閉環(huán)控制的接觸式表面形貌測量裝置。本方法不同于傳統(tǒng)的測量裝置只轉(zhuǎn)動杠桿的測量方式，計算機根據(jù)接觸式電感位移傳感器的零位偏移信號控制壓電陶瓷及電機去驅(qū)動工作臺以實現(xiàn)垂直位移掃描的伺服運動，使接觸式電感位移傳感器的零位偏移信號為零，即測量杠桿總是在平衡位置，避免了現(xiàn)有接觸式表面形貌測量裝置的問題，提高了測量的精度。同時采用光柵衍射得到的干涉條紋測量工作臺的移動距離，通過測量干涉條紋的相移變化得到工作臺垂直方向位移的測量數(shù)據(jù)，大大提高了測量精度。如果本發(fā)明選擇的光柵常數(shù)為1/1200mm，其干涉條紋變化一個周期時，光柵移動量為1/4800mm，即為200nm，經(jīng)兩次衍射，以及對信號20細(xì)分，最終測量數(shù)據(jù)可達5nm的分辨率。因此本發(fā)明真正實現(xiàn)了高精度、大量程的測量，并且具有速度快、性價比高的特點。本發(fā)明可對不同材料構(gòu)件的輪廓尺寸、形狀、波度及表面粗糙度的二、三維接觸式綜合測量，包括任意曲面形貌測量、球面和非球面輪廓測量等，也可對MEMS的幾何尺寸、形狀、振動等進行非接觸測量。


附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明的測量流程示意圖；附圖3為衍射光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例。如附圖1所示，本發(fā)明的測量儀主要包括電感位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服運動裝置三大部分，接觸式電感位移傳感器用于探測在測量過程中由工件表面形貌所引起的電感零位偏移信號，安裝在垂直位移掃描工作臺的上方，電感位移傳感器的零位偏移信號輸入數(shù)字伺服運動裝置，三維垂直位移掃描工作臺上面放置需測量的工件；數(shù)字伺服運動裝置用于記錄、處理各個數(shù)據(jù)，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)輸出控制信號至三維垂直位移掃描工作臺的壓電陶瓷和三個方向的驅(qū)動電機，驅(qū)動三維垂直位移掃描工作臺運動從而使電感位移傳感器的零位偏移信號近似為零，在三維垂直位移掃描工作臺上安裝衍射光柵位移傳感器，衍射光柵位移傳感器用于對工作臺的垂直位移進行掃描和采集，衍射光柵位移傳感器的掃描信號輸入數(shù)字伺服運動裝置中的計算機進行處理后作為測量結(jié)果。
本實施例的電感位移傳感器由磁芯(1)、電感線圈(2)、支點(3)、杠桿(4)和觸針(5)組成，支點(3)上的杠桿(4)兩端分別安裝有觸針(5)和磁芯(1)，磁芯(1)插入電感線圈(2)內(nèi)，電感線圈(2)的信號輸入數(shù)字伺服運動裝置，通過杠桿(4)的作用，將觸針(5)的位移信號轉(zhuǎn)換為電感線圈(2)的電感信號。
三維垂直位移掃描工作臺由垂直位移掃描工作臺、X-Y工作臺(11)和衍射光柵位移傳感器(8)組成；可垂直移動的垂直位移掃描工作臺安裝在X-Y工作臺(11)上，垂直位移掃描工作臺上安裝衍射光柵位移傳感器(8)；其中，垂直位移掃描工作臺由斜面機構(gòu)(10)、壓電陶瓷(9)和工作臺(7)組成；它分粗、精兩級驅(qū)動，粗驅(qū)動由斜面機構(gòu)(10)及其伺服電機完成，斜面機構(gòu)(10)的斜面斜度為1∶10，絲桿螺距為1mm，伺服電機輸出10000脈沖/轉(zhuǎn)，則每步垂直位移量為10nm，行程設(shè)計為10mm。斜面機構(gòu)(10)安裝在X-Y工作臺(11)上，精驅(qū)動由壓電陶瓷(9)完成，其設(shè)計行程為30μm；斜面機構(gòu)(10)上方為壓電陶瓷(9)，壓電陶瓷(9)上方為放置工件(6)的工作臺(7)。
數(shù)字伺服運動裝置由計算機(12)、X-Y方向電機驅(qū)動電路(13)、斜面機構(gòu)電機驅(qū)動電路(14)、電感位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)和壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)組成；計算機(12)的輸入端連接電感位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)的輸出端，計算機(12)的輸出端連接壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機構(gòu)電機驅(qū)動電路(14)和X-Y方向電機驅(qū)動電路(13)；計算機(12)處理來自電感線圈(2)和衍射光柵位移傳感器(8)的信號，控制和驅(qū)動壓電陶瓷(12)、斜面機構(gòu)(13)和X-Y工作臺(11)的電機，實現(xiàn)數(shù)字伺服運動。
衍射光柵位移傳感器(11)由反射光柵(18)、直角棱鏡(19)、光電接收器(20)和He-Ne激光器(21)組成，反射光柵(18)安裝在垂直位移掃描工作臺上，He-Ne激光器(21)安裝在反射光柵(18)前方，二個直角棱鏡(19)分別安裝在反射光柵(18)兩側(cè)45度位置，反射光柵(18)前方還安裝了一個光電接收器(19)，光電接收器(19)的信號輸入衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)。
工作時，將工件(6)放在工作臺(7)上，在X向電機驅(qū)動下沿X軸方向移動，得到一個測量點的X坐標(biāo)，杠桿(4)一側(cè)的觸針(5)始終接觸被測工件(6)的表面，并因表面輪廓的起伏而上下移動，帶動杠桿(4)繞支點(3)旋轉(zhuǎn)，從而引起磁芯(1)在電感線圈(2)中的位移，電感信號偏移其零位，該信號經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換處理送與計算機(12)，由計算機(12)控制Z向(即垂直方向)驅(qū)動電機驅(qū)動斜面機構(gòu)(10)垂直移動，并經(jīng)過壓電陶瓷(9)微調(diào)，帶動工件(6)隨之垂直移動，最終使得杠桿(4)回到平衡位置，杠桿(4)是否回到平衡位置由電感線圈(2)的信號是否處于零位來判斷。這時工件(6)垂直移動的距離由衍射光柵位移傳感器(8)掃描并采集到，這個距離即為工件(6)表面輪廓在該測量點垂直方向上的變動，該信號經(jīng)光電信號處理電路(前置放大，細(xì)分，辨向，計數(shù))送到計算機，即為一個采集到的Z向坐標(biāo)，如此重復(fù)該過程，可得到一系列數(shù)據(jù)，送到計算機經(jīng)表面輪廓評定軟件處理即可得到測量結(jié)果。
為了精確計量工作臺(7)的移動距離，在三維垂直位移掃描工作臺上安裝反射光柵，激光入射到反射光柵，經(jīng)反射光柵一次衍射后形成+1級和-1級兩束衍射光，通過置于兩側(cè)的直角棱鏡將+1級和-1級衍射光反射回光柵并匯聚于光柵上另一點，經(jīng)過二次衍射后，將在垂直于Y軸放置的光電探測器上形成干涉條紋；當(dāng)工作臺(7)垂直運動時，將引起干涉條紋的相移，通過探測條紋的變化即可得到工件(6)的位移數(shù)據(jù)。光柵移動d/4距離時，條紋相移為2π，即變化一個周期。本系統(tǒng)采用的光柵，其光柵常數(shù)為1/1200mm，因此干涉條紋變化一個周期時，光柵移動量為1/4800mm，即為200nm，經(jīng)兩次衍射，以及對信號20細(xì)分，可達5nm的分辨率。
權(quán)利要求
1.一種基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法，其特征在于將工件放在可移動的三維垂直位移掃描工作臺上，用接觸式電感位移傳感器測量工件的表面，計算機根據(jù)傳感器的零位偏移信號驅(qū)動工作臺垂直運動，使接觸式電感位移傳感器的零位偏移信號近似為零，即測量杠桿總是在平衡位置，衍射光柵位移傳感器掃描和采集工作臺垂直移動的距離作為測量數(shù)據(jù)，輸入計算機中作為工作臺在該X-Y-Z坐標(biāo)上采集到的Z坐標(biāo)，通過移動工作臺，重復(fù)采集多個坐標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機處理后即可得到測量的工件表面形貌。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法，其特征在于在工作臺上固定反射光柵，利用激光入射到反射光柵，經(jīng)反射光柵一次衍射后形成+1級和-1級兩束衍射光，通過置于兩側(cè)的直角棱鏡將+1級和-1級衍射光反射回光柵并匯聚于光柵上另一點，經(jīng)過二次衍射后，將在垂直于Y軸放置的光電探測器上形成干涉條紋；當(dāng)工作臺垂直運動時，將引起干涉條紋的相移，通過探測條紋的變化即可得到工件的位移數(shù)據(jù)。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的測量儀，它包括電感位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服運動裝置，其特征在于用于探測電感零位偏移信號的接觸式電感位移傳感器安裝在垂直位移掃描工作臺的上方，電感位移傳感器的零位偏移信號輸入數(shù)字伺服運動裝置，數(shù)字伺服運動裝置輸出控制信號至三維垂直位移掃描工作臺的壓電陶瓷和三個方向的驅(qū)動電機，在三維垂直位移掃描工作臺上設(shè)有用于對工作臺的垂直位移進行掃描和采集的衍射光柵位移傳感器，衍射光柵位移傳感器的信號輸入數(shù)字伺服運動裝置中的計算機。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量儀，其特征在于電感位移傳感器由磁芯(1)、電感線圈(2)、支點(3)、杠桿(4)和觸針(5)組成，支點(3)上的杠桿(4)兩端分別設(shè)有觸針(5)和磁芯(1)，磁芯(1)插入電感線圈(2)內(nèi)，電感線圈(2)的信號輸入數(shù)字伺服運動裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量儀，其特征在于三維垂直位移掃描工作臺由垂直位移掃描工作臺、X-Y工作臺(11)和衍射光柵位移傳感器(8)組成；可垂直移動的垂直位移掃描工作臺安裝在X-Y工作臺(11)上，垂直位移掃描工作臺上設(shè)有衍射光柵位移傳感器(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量儀，其特征在于垂直位移掃描工作臺由斜面機構(gòu)(10)、壓電陶瓷(9)和工作臺(7)組成；帶電機的斜面機構(gòu)(10)安裝在X-Y工作臺(11)上，斜面機構(gòu)(10)上方設(shè)有壓電陶瓷(9)，壓電陶瓷(9)上方為放置工件(6)的工作臺(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量儀，其特征在于數(shù)字伺服運動裝置由計算機(12)、X-Y方向電機驅(qū)動電路(13)、斜面機構(gòu)電機驅(qū)動電路(14)、電感位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)和壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)組成；計算機(12)的輸入端連接電感位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)的輸出端，計算機(12)的輸出端連接壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機構(gòu)電機驅(qū)動電路(14)和X-Y方向電機驅(qū)動電路(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量儀，其特征在于衍射光柵位移傳感器(11)由反射光柵(18)、直角棱鏡(19)、光電接收器(20)和He-Ne激光器(21)組成，反射光柵(18)安裝在垂直位移掃描工作臺上，He-Ne激光器(21)安裝在反射光柵(18)前方，二個直角棱鏡(19)分別設(shè)在反射光柵(18)兩側(cè)45度位置，反射光柵(18)前方還設(shè)有光電接收器(19)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于垂直位移掃描的接觸式表面形貌測量方法及其裝置，它采用計算機驅(qū)動工作臺垂直位移來進行測量，并掃描和采集工作臺垂直移動的距離作為測量數(shù)據(jù)，輸入計算機中作為該X－Y－Z坐標(biāo)上采集到的Z坐標(biāo)，通過移動工作臺，重復(fù)采集多個坐標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機處理后即可得到測量的工件表面形貌。本發(fā)明將聚焦物鏡位置固定，通過移動工作臺來測量數(shù)據(jù)，大大提高了測量的精度。從而真正實現(xiàn)了高精度、大量程的非接觸測量，并且具有速度快、性價比高的特點。本發(fā)明可對不同材料構(gòu)件的輪廓尺寸、形狀、波度及表面粗糙度的二、三維非接觸式綜合測量。
文檔編號G01B21/30GK1831473SQ200610200069
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者楊旭東, 陳育榮, 謝鐵邦, 李家春 申請人:貴州大學(xué)