第二四象限探測(cè)器7a和第一四象限探測(cè)器6a獲得測(cè)球1d的位移信號(hào)，楔形棱鏡9c粘貼在第二分光反射棱鏡9b的側(cè)部。
[0046]參見圖la、圖1b和圖2，設(shè)置探頭的殼體為圓筒體1，圓筒體I的底部為敞口，圓筒體I的頂部固定設(shè)置有頂蓋2，在圓筒體I中以隔板分區(qū)為上腔Ib和下腔lc，；激光器3a設(shè)置在上腔Ib中，并利用圖12所示的激光器支架3b固定在隔板上；第一平面反射鏡4a利用第一平面反射鏡支架4b固定設(shè)置在上腔Ib的側(cè)壁上，第一平面反射鏡4a和第一平面反射鏡支架4b之間以粘接的形式固定連接;第二平面反射鏡5a利用第二平面反射鏡支架5b固定設(shè)置在下腔Ic的側(cè)壁上，第二平面反射鏡5a和第二平面反射鏡支架5b之間同樣以粘接的形式固定連接;測(cè)頭單元以其圓環(huán)座1a固定設(shè)置在圓筒體Ia的底部端口上;第一四象限探測(cè)器6a、第二四象限探測(cè)器7a和第三四象限探測(cè)器8a—一對(duì)應(yīng)地利用第一探測(cè)器支架6b、第二探測(cè)器支架7b和第三探測(cè)器支架Sb安裝在下腔Ic的側(cè)壁上。
[0047]具體實(shí)施中，包括第一探測(cè)器支架6b、第二探測(cè)器支架7b和第三探測(cè)器支架Sb的各個(gè)探測(cè)器支架的固定結(jié)構(gòu)為:探測(cè)器支架是由分處在探測(cè)器支架不同圓周位置上的第一緊定螺釘和第二緊定螺釘鎖定在下腔Ic的側(cè)壁上;并且在探測(cè)器支架的一側(cè)與下腔Ic的側(cè)壁之間設(shè)置分處在不同位置上的第一彈簧墊圈和第二彈簧墊圈，分別調(diào)整第一彈簧墊圈和第二彈簧墊圈的松緊程度實(shí)現(xiàn)探測(cè)器支架相應(yīng)的空間位置的調(diào)整;在探測(cè)器支架上設(shè)置有凸棱，在下腔Ic的內(nèi)側(cè)壁上對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置有凹槽，以凸棱和凹槽的配合實(shí)現(xiàn)探測(cè)器支架在下腔Ic中一個(gè)方向上的限位。
[0048]圖9所示為第一四象限探測(cè)器6a和第一探測(cè)器支架6b的配合結(jié)構(gòu)，其中，第一探測(cè)器支架6b由分處在第一探測(cè)器支架6不同圓周位置上的第一緊定螺釘6e和第二緊定螺釘6f鎖定在下腔Ic的側(cè)壁上;并且在第一探測(cè)器支架6b的一側(cè)與下腔Ic的側(cè)壁之間設(shè)置分處在不同位置上的第一彈簧墊圈6c和第二彈簧墊圈6b，分別調(diào)整第一彈簧墊圈6c和第二彈簧墊圈6d的松緊程度實(shí)現(xiàn)第一探測(cè)器支架6b相應(yīng)的空間位置的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)第一四象限探測(cè)器6a的位置的調(diào)整;在第一探測(cè)器支架6b上設(shè)置有凸棱，在下腔Ic的內(nèi)側(cè)壁上對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置有凹槽，以凸棱和凹槽的配合實(shí)現(xiàn)第一探測(cè)器支架6b在下腔Ic中一個(gè)方向上的限位；當(dāng)?shù)谝粡椈蓧|圈6c和第二彈簧墊圈6d同時(shí)被鎖緊或松開時(shí)，間接地地調(diào)節(jié)了第一四象限探測(cè)器6a在水平方向的位置；當(dāng)?shù)谝粡椈蓧|圈6c和第二彈簧墊圈6d—緊一松時(shí)，間接地調(diào)節(jié)了四象限探測(cè)器6a在豎直方向的位置，本實(shí)施例中Z軸呈豎直方向，X軸和Y軸呈水平方向，這一方式簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)分別了各四象限探測(cè)器的二維位置，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)接收光束位移變化量的目的。
[0049]具體實(shí)施中，為了減小懸浮片1b在進(jìn)行接觸測(cè)量時(shí)自身重力的影響，選擇懸浮片1b鎂鋁合金為材質(zhì)，鎂鋁合金密度更、比強(qiáng)度高、彈性模量大、消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，且剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性。
[0050]如圖13所示，當(dāng)探針1e在豎直Z軸方向受到觸碰，由第三四象限探測(cè)器8a檢測(cè)到光線通過第一分光反射棱鏡9a的位移變化量;如圖14所示，當(dāng)探針1e在X軸方向受到觸碰，由第二四象限探測(cè)器7a檢測(cè)到光線通過第一分光反射棱鏡9a和第二分光反射棱鏡9b的位移變化量;如圖15和圖16所示，當(dāng)探針1e在Y軸方向受到觸碰，第一四象限探測(cè)器6a檢測(cè)到光線通過第一分光反射棱鏡9a、第二分光反射棱鏡9b和楔形棱鏡9c后的位移變化量。
[0051]本實(shí)施例中所應(yīng)用的四象限探測(cè)器對(duì)于位移變化量的探測(cè)原理是:從激光器3a發(fā)出的光經(jīng)測(cè)量單元測(cè)得Z軸方向、X軸方向和Y軸方向的位移變化量對(duì)應(yīng)在第三四象限探測(cè)器8a、第二四象限探測(cè)器7a和第一四象限探測(cè)器6a上光點(diǎn)形狀和位置的變化，進(jìn)而導(dǎo)致四象限探測(cè)器輸出的電流信號(hào)大小的變化，通過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將四個(gè)象限輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，分別記為Va、Vb、Vc、Vd。根據(jù)式(a)和式(b)分別將四象限探測(cè)器上光點(diǎn)的形狀和位置的變化轉(zhuǎn)化成兩路電壓信號(hào)輸出，這兩路電壓信號(hào)分別與第一分光反射棱鏡9a、第二分光反射棱鏡9b和楔形棱鏡9c在豎直和水平方向上的位移相對(duì)應(yīng)，并且在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)球位移的測(cè)量。
[0052]Si = K[ (Va+Vb)-(Vc+Vd)] (a)
[0053]S2 = K[(Va+Vd)-(Vb+Vc)] (b)
[0054]式(a)和式(b)中，&和&分別為測(cè)球在同一平面內(nèi)兩個(gè)相互垂直方向的位移，包括X軸向和Y軸向兩個(gè)相互垂直方向的位移、X軸向和Z軸向兩個(gè)相互垂直方向的位移，以及Y軸向和Z軸向兩個(gè)相互垂直方向的位移;K為比例系數(shù)，比例系數(shù)K通過標(biāo)定的方式獲得。
[0055]圖5所示，本實(shí)施例中呈“十”字的簧片10c，其在簧片10的四個(gè)懸臂中分別設(shè)置有一個(gè)橢圓環(huán)的撓性結(jié)構(gòu)，橢圓環(huán)在短軸方向上的兩端與懸臂相連成一整體，橢圓環(huán)在長(zhǎng)軸方向與所在的懸臂相互垂直呈翅片狀，橢圓環(huán)內(nèi)沿長(zhǎng)軸方向開設(shè)矩形通孔，這一撓性結(jié)構(gòu)設(shè)置可以有效降低簧片的剛度，使之滿足探頭測(cè)量的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種三維微納米觸發(fā)式探頭，其特征是由測(cè)頭單元和測(cè)量單元構(gòu)成: 所述測(cè)頭單元是在圓環(huán)座(1a)上設(shè)置呈“十”字的簧片(10c)，所述簧片(1c)的各懸臂的遠(yuǎn)端與圓環(huán)形簧片外圈形成整體，并以所述圓環(huán)形簧片外圈與圓環(huán)座(1a)固定連接；在所述簧片(1c)的上表面、處在簧片(1c)的中心固定設(shè)置呈“十”字的懸浮片(10b)，形成懸浮片(1b)在圓環(huán)座(1a)上的懸浮結(jié)構(gòu)；在所述懸浮片(1b)的上端面分別固定設(shè)置第一分光反射棱鏡(9a)、第二分光反射棱鏡(9b)和楔形棱鏡(9c)，在所述懸浮片(1b)和簧片(1c)的中心貫通孔中固定安裝探針(1e)，所述探針(1e)凸伸于懸浮片(1b)的下端面，探針(1e)的前端為測(cè)球(1d);所述第一分光反射棱鏡(9a)和第二分光反射棱鏡(9b)均為非偏振分光反射棱鏡； 所述測(cè)量單元的光路結(jié)構(gòu)為:激光器(3a)呈水平發(fā)射出的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一平面反射鏡(4a)和第二平面反射鏡(5a)的反射后呈水平投射至第一分光反射棱鏡(9a)，在所述第一分光反射棱鏡(9a)中形成的反射光作為第一光束投射至第三四象限探測(cè)器(8a);在所述第一分光反射棱鏡(9a)中形成的透射光投射至第二分光反射棱鏡(9b)，在所述第二分光反射棱鏡(9b)中形成的透射光作為第二光束投射至第二四象限探測(cè)器(7a);在所述第二分光反射棱鏡(9b)中形成的反射光投射至楔形棱鏡(9c)，在所述楔形棱鏡(9c)中形成透射光作為第三光束投射至第一四象限探測(cè)器(6a)，利用所述第三四象限探測(cè)器(8a)、第二四象限探測(cè)器(7a)和第一四象限探測(cè)器(6a)獲得測(cè)球(1d)的位移信號(hào)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米觸發(fā)式探頭，其特征是:所述楔形棱鏡(9c)粘貼在所述第二分光反射棱鏡(9b)的側(cè)部。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微納米觸發(fā)式探頭，其特征是:設(shè)置所述探頭的殼體為圓筒體(I)，在所述圓筒體(I)中以隔板分區(qū)為上腔(Ib)和下腔(Ic); 所述激光器(3a)設(shè)置在上腔(Ib)中，并利用激光器支架(3b)固定在隔板上； 所述第一平面反射鏡(4a)利用第一平面反射鏡支架(4b)固定設(shè)置在上腔(Ib)的側(cè)壁上； 所述第二平面反射鏡(5a)利用第二平面反射鏡支架(5b)固定設(shè)置在下腔(Ic)的側(cè)壁上； 所述測(cè)頭單元以其圓環(huán)座(1a)固定設(shè)置在所述圓筒體(Ia)的底部端口上； 第一四象限探測(cè)器(6a)、第二四象限探測(cè)器(7a)和第三四象限探測(cè)器(Sa)—一對(duì)應(yīng)地利用第一探測(cè)器支架(6b)、第二探測(cè)器支架(7b)和第三探測(cè)器支架(Sb)安裝在下腔(Ic)的側(cè)壁上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維微納米觸發(fā)式探頭，其特征是:包括第一探測(cè)器支架(6b)、第二探測(cè)器支架(7b)和第三探測(cè)器支架(Sb)的各個(gè)探測(cè)器支架的固定結(jié)構(gòu)為:所述探測(cè)器支架是由分處在探測(cè)器支架不同圓周位置上的第一緊定螺釘和第二緊定螺釘鎖定在下腔(Ic)的側(cè)壁上;并且在所述探測(cè)器支架的一側(cè)與下腔(Ic)的側(cè)壁之間設(shè)置分處在不同位置上的第一彈簧墊圈和第二彈簧墊圈，分別調(diào)整所述第一彈簧墊圈和第二彈簧墊圈的松緊程度實(shí)現(xiàn)探測(cè)器支架相應(yīng)的空間位置的調(diào)整。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維微納米觸發(fā)式探頭，其特征是:在所述探測(cè)器支架上設(shè)置有凸棱，在所述下腔(Ic)的內(nèi)側(cè)壁上對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置有凹槽，以所述凸棱和凹槽的配合實(shí)現(xiàn)探測(cè)器支架在下腔(Ic)中一個(gè)方向上的限位。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維微納米觸發(fā)式探頭，其特征是由測(cè)頭單元和測(cè)量單元構(gòu)成：測(cè)頭單元是在圓環(huán)座上設(shè)置呈“十”字的簧片，在簧片上固定設(shè)置呈“十”字的懸浮片，形成懸浮片在圓環(huán)座上的懸浮結(jié)構(gòu)；在懸浮片的上端面分別固定設(shè)置各分光反射棱鏡和楔形棱鏡，在懸浮片的中心貫通孔中固定安裝探針；由激光器和四象限探測(cè)器構(gòu)成測(cè)量單元，利用四象限探測(cè)器獲得位于探針前端的測(cè)球的位移信號(hào)。本發(fā)明能夠獲得高精度、高靈敏度和小測(cè)力的探測(cè)效果，同時(shí)具有高穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢(shì)。
【IPC分類】G01B11/00
【公開號(hào)】CN105547157
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610128424
【發(fā)明人】李瑞君, 程琳, 周斌, 程真英, 陳晶
【申請(qǐng)人】安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心, 合肥工業(yè)大學(xué), 國(guó)家電網(wǎng)公司
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年3月7日