超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法、應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)整合激光三角測(cè)距模塊以及音叉測(cè)距模塊，并通過(guò)控制模塊來(lái)控制音叉測(cè)距模塊的探針移動(dòng)及通過(guò)激光三角測(cè)距模塊的遠(yuǎn)距離粗略定位及采用音叉檢測(cè)近距離精確定位相互配合，可以實(shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速距離檢測(cè)。本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)方法可以通過(guò)激光三角測(cè)距模塊預(yù)測(cè)音叉測(cè)距模塊中探針與物體表面的初始距離，實(shí)現(xiàn)探針的快速定位，并當(dāng)所述初始距離超出音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍時(shí)，可將移動(dòng)探針至音叉測(cè)距模塊可進(jìn)行測(cè)距的范圍之內(nèi)再進(jìn)行測(cè)距?？梢詫?shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速超微距離檢測(cè)。本發(fā)明還提供超微距離檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛用于顯微成像或位移傳感器中。
【專利說(shuō)明】
超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法、應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超微距離精準(zhǔn)定位與位移檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法、應(yīng)用。
【【背景技術(shù)】】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)超微距離定位和位移檢測(cè)技術(shù)和方法，主要有激光三角測(cè)距、光譜共焦、電容傳感器測(cè)距、電渦流傳感器等。但是現(xiàn)有的超微距離定位或位移檢測(cè)技術(shù)由于受到其自身原理的限制只能應(yīng)用于特定的領(lǐng)域，如需要限定待測(cè)物體的材質(zhì)或?qū)Υ郎y(cè)物體的表面有特別的形貌要求，即使在同一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域也各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如檢測(cè)的成本過(guò)高或不利于系統(tǒng)集成使用。如電容式位移傳感器探頭的體積大，且要求待測(cè)物體具有一定的表面積，因此，電容式位移傳感器不可用于較小表面積物體檢測(cè)。
[0003]現(xiàn)有的超微距離定位和位移檢測(cè)技術(shù)中，還普遍存在測(cè)量量程小的缺點(diǎn)，而量程大的存在測(cè)量精度和分辨率低的問(wèn)題，現(xiàn)有的超微距離檢測(cè)技術(shù)無(wú)法滿足快速檢測(cè)的需求，因此，亟待提供一種新型的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]為克服現(xiàn)有超微距離檢測(cè)較慢的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種新型的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法、應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題的一技術(shù)方案是提供一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其包括激光三角測(cè)距模塊、音叉測(cè)距模塊及控制模塊;所述音叉測(cè)距模塊具有一定的音叉測(cè)距范圍，并且該音叉測(cè)距模塊包括探針;所述激光三角測(cè)距模塊用于測(cè)量所述探針與待測(cè)物體表面之間初始距離，所述控制模塊用于比較所述初始距離是否超出音叉測(cè)距范圍，如果所述初始距離超出所述音叉測(cè)距范圍，則控制所述探針移動(dòng)至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)。
[0006]優(yōu)選地，所述音叉測(cè)距模塊包括音叉，所述探針與所述音叉固定連接，且音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍由所述音叉決定。
[0007]優(yōu)選地，所述音叉測(cè)距模塊進(jìn)一步包括與所述音叉連接的音叉激諧振掃描模塊、鎖相環(huán)模塊及音叉數(shù)據(jù)采集模塊。優(yōu)選地，所述音叉激諧振掃描模塊用于對(duì)所述音叉進(jìn)行掃頻以確定所述音叉的諧振頻率;所述鎖相環(huán)模塊用于對(duì)所述諧振頻率進(jìn)行鎖定;所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊用于收集所述音叉的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0008]優(yōu)選地，所述激光三角測(cè)距模塊進(jìn)一步包括激光發(fā)生器、激光檢測(cè)器及與兩者連接的激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊，所述激光發(fā)生器用于發(fā)射激光信號(hào)，所述激光檢測(cè)器用于接收激光發(fā)生器發(fā)出的激光信號(hào)，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊用于采集及處理所述激光發(fā)生器與所述激光檢測(cè)器的發(fā)射及接收信號(hào)。
[0009]優(yōu)選地，所述激光發(fā)生器與所述激光檢測(cè)器之間呈角度分別設(shè)置在所述探針的兩側(cè)。
[0010]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題的又一技術(shù)方案是提供一種超微距離檢測(cè)方法，其包括以下步驟:采用激光三角測(cè)距模塊測(cè)量音叉測(cè)距模塊中探針與待測(cè)物體表面之間的初始距離；比較所述初始距離是否超出音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍，若所述初始距離超出所述音叉測(cè)距范圍，則移動(dòng)所述探針至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)；通過(guò)音叉測(cè)距模塊測(cè)量獲得探針與待測(cè)物體表面的距離。
[0011]優(yōu)選地，在所述超微距離檢測(cè)方法中，在移動(dòng)所述探針到音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍后，進(jìn)一步包括以下步驟:對(duì)音叉測(cè)距模塊的音叉進(jìn)行掃頻以確定其諧振頻率;鎖定音叉的諧振頻率并收集音叉的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0012]優(yōu)選地，在所述超微距離檢測(cè)方法中，進(jìn)一步采用控制模塊移動(dòng)所述探針。
[0013]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題的又一技術(shù)方案是提供一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，如上所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其可用于顯微成像或位移傳感器中。
[0014]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)整合激光三角測(cè)距模塊以及音叉測(cè)距模塊，并通過(guò)控制模塊來(lái)控制音叉測(cè)距模塊的探針移動(dòng)，通過(guò)所述激光三角測(cè)距模塊的遠(yuǎn)距離粗略定位及采用音叉檢測(cè)近距離精確定位相互配合，可以實(shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速距離檢測(cè)。
[0015]本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)方法中，可以通過(guò)所述激光三角測(cè)距模塊預(yù)測(cè)音叉測(cè)距模塊中探針跟物體表面的初始距離，實(shí)現(xiàn)探針的快速定位，并當(dāng)所述初始距離超出音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍時(shí)，可將所述探針移動(dòng)至音叉測(cè)距模塊可進(jìn)行測(cè)距的范圍之內(nèi)再進(jìn)行測(cè)距。可以實(shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速超微距離檢測(cè)。
[0016]本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)可適用于顯微成像及位移傳感器中，以實(shí)現(xiàn)超微距離的精確定位和精密位移檢測(cè)。
【【附圖說(shuō)明】】
[0017]圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例超微距離檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例超微距離檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例超微距離檢測(cè)系統(tǒng)中探頭部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例超微距離檢測(cè)方法的流程示意圖。
[0021 ]圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例超微距離檢測(cè)方法一個(gè)變形實(shí)施方式的流程示意圖。
[0022]圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例超微距離檢測(cè)方法中音叉檢測(cè)原理圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0023]為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]在本發(fā)明中，所述超微距離指的是距離為小于厘米級(jí)的距離，如所述超微距離可為幾毫米、幾十微米、幾微米、幾百納米、幾十納米、幾納米，甚至到幾埃米的距離。
[0025]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的第一實(shí)施例提供一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10，所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10包括音叉測(cè)距模塊11、激光三角測(cè)距模塊13及控制模塊14。其中，所述控制模塊14與所述音叉測(cè)距模塊U、所述激光三角測(cè)距模塊13連接，所述控制模塊14可為所述音叉測(cè)距模塊11、所述激光三角測(cè)距模塊13提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及移動(dòng)控制等功能。
[0026]所述音叉測(cè)距模塊11包括音叉111、探針112、音叉激諧振掃描模塊113、鎖相環(huán)模塊114及音叉數(shù)據(jù)采集模塊115和音叉探頭(未標(biāo)示)。所述探針112固定在音叉探頭上，所述音叉111與所述探針112固定連接，比如采用絕緣膠連接。所述音叉111還與所述音叉激諧振掃描模塊113、所述鎖相環(huán)模塊114及所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊115連接。在本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例中，所述音叉探頭可為用于固定所述音叉111與所述探針112的支架。
[0027]在本發(fā)明一些較優(yōu)的實(shí)施例中，所述音叉111優(yōu)選為石英音叉，所述音叉111由32.768KHz的圓柱形晶振去掉外殼而得到，其中，所述圓柱形晶振的尺寸為3mm*8mm。所述探針112優(yōu)選為鎢探針，所述探針112是由直徑0.6mm的鎢絲通過(guò)電化學(xué)腐蝕得到的，上述針對(duì)所述音叉111與所述探針112的限定僅作為實(shí)例，不作為本發(fā)明的限定。所述音叉測(cè)距模塊11具有一音叉測(cè)距范圍，所述音叉測(cè)距范圍即為所述音叉111的可進(jìn)行測(cè)距的范圍。所述音叉測(cè)距模塊11的音叉測(cè)距范圍由所述音叉111決定。根據(jù)所選用的所述音叉111的不同，所述音叉測(cè)距模塊11的可測(cè)距范圍也不相同。
[0028]所述音叉激諧振掃描模塊113用于對(duì)所述音叉111進(jìn)行掃頻以確定所述音叉111諧振頻率。所述鎖相環(huán)模塊114用于對(duì)由所述音叉激諧振掃描模塊113所確定的所述音叉111的諧振頻率進(jìn)行鎖定。而所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊則用于收集所述音叉111的振幅和相位。
[0029]所述音叉模塊11進(jìn)行測(cè)距的過(guò)程為:首先給所述音叉111一正弦信號(hào)激勵(lì)使音叉達(dá)到諧振狀態(tài)，當(dāng)所述音叉111及與其固定連接的所述探針112以諧振狀態(tài)靠近待測(cè)物體時(shí)，由于所述探針112與待測(cè)物體表面原子間的剪切力作用，從而使所述音叉111的振幅和相位發(fā)生變化，通過(guò)感測(cè)所述音叉111的振幅和相位的變化量，從而可對(duì)所述探針112與待測(cè)物體表面之間的距離進(jìn)行檢測(cè)。
[0030]所述激光三角測(cè)距模塊13包括一激光發(fā)生器131、一激光檢測(cè)器132及一激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊133，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊133分別與所述激光發(fā)生器131、所述激光檢測(cè)器132連接。所述激光發(fā)生器131用于發(fā)射激光信號(hào)，所述激光檢測(cè)器132用于接收激光發(fā)生器131發(fā)出的激光信號(hào)，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊133用于采集及處理所述激光發(fā)生器131、所述激光檢測(cè)器132的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)。
[0031]請(qǐng)一并參閱圖2與圖3，在一些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述激光發(fā)生器131與所述激光檢測(cè)器132之間呈角度分別設(shè)置在所述音叉探頭上，分別位于探針112的兩側(cè)。所述激光發(fā)生器131與所述激光檢測(cè)器132之間具體設(shè)置的角度與所述探針112與待測(cè)物體表面之間距離的遠(yuǎn)近相關(guān)，其角度可為15°-75°。在本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述音叉111可設(shè)于所述激光發(fā)生器131與所述激光檢測(cè)器132之間；如圖2中所示，所述激光發(fā)生器131、所述音叉111、所述探針112及所述激光檢測(cè)器132位于同一平面上；又如圖3中所示，所述音叉111與所述探針112設(shè)于同一平面上，所述激光發(fā)生器131與所述激光檢測(cè)器132同設(shè)于另一平面上，且兩個(gè)平面之間呈直角設(shè)置。
[0032]所述控制模塊14可用于接收所述激光三角測(cè)距模塊13提供的所述探針112與所述待測(cè)物體表面之間的初始距離信號(hào)后進(jìn)行判斷，當(dāng)所述初始距離超出所述音叉測(cè)距模塊12的測(cè)距范圍，則由所述控制模塊14驅(qū)動(dòng)所述音叉探頭并由所述音叉探頭帶動(dòng)所述探針112進(jìn)行微小位移，使所述探針112移動(dòng)到所述音叉111可進(jìn)行測(cè)距的范圍內(nèi)。在本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述控制模塊14可進(jìn)一步包括一微位移系統(tǒng)(圖未示)，所述微位移系統(tǒng)具體由高分辨率的壓電伸縮器件(圖未示)、驅(qū)動(dòng)電源(圖未示)、高精度電感測(cè)微儀(圖未示)及單片機(jī)(圖未示)等構(gòu)成，可驅(qū)動(dòng)所述音叉探頭進(jìn)行微小位移。
[0033]在本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述激光三角測(cè)距模塊13包括一角度調(diào)節(jié)裝置(圖未示)，所述角度調(diào)節(jié)裝置與所述激光發(fā)生器131連接，所述角度調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)整所述激光發(fā)生器131的設(shè)置角度。具體地，所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10在對(duì)于待測(cè)物體100進(jìn)行檢測(cè)前，一般還需要對(duì)所述激光發(fā)生器131的角度與所述激光檢測(cè)器132的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使所述激光三角測(cè)距模塊13的測(cè)距范圍可包括所述音叉測(cè)距模塊11的測(cè)距范圍。其中，所述激光發(fā)生器131的角度調(diào)節(jié)可采用激光角度調(diào)節(jié)裝置(圖未示)和/或手動(dòng)的螺旋角度調(diào)節(jié)器(圖未示)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本發(fā)明一些實(shí)施例中，進(jìn)行角度調(diào)節(jié)的所述激光角度調(diào)節(jié)裝置、所述手動(dòng)的螺旋角度調(diào)節(jié)器還可進(jìn)一步與一傳感器(圖未示)連接，所述傳感器可用于感測(cè)角度調(diào)整的信息進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到所述激光三角測(cè)距模塊13與待測(cè)物體表面之間的距離。
[0034]請(qǐng)一并參閱圖2-圖3，當(dāng)采用所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10測(cè)距時(shí)，將所述探針112靠近待測(cè)物體100。所述激光發(fā)生器131向所述待測(cè)物體表面射出入射光Rl，激光在所述待測(cè)物體表面發(fā)生反射后反射光R2部分被所述激光檢測(cè)器132接收并檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比所述激光發(fā)生器131發(fā)出的入射光Rl與接收的反射光R2的信號(hào)差異，所述激光數(shù)據(jù)采集與處理模塊133可收集相關(guān)的信息，從而可獲得所述激光發(fā)生器131的激光信號(hào)發(fā)射面與待測(cè)物體表面之間的垂直距離DO，由于所述激光發(fā)生器131的激光信號(hào)發(fā)射面與所述探針112之間的距離為一固定值，因此，在獲得距離DO后，可進(jìn)一步計(jì)算獲得所述探針112與待測(cè)物體表面之間的距離Dl(即所述探針112與待測(cè)物體100表面的初始距離)。
[0035]請(qǐng)同時(shí)參閱圖1，通過(guò)所述控制模塊14比較所述距離Dl是否超出音叉測(cè)距模塊11的音叉測(cè)距范圍，若所述距離Dl小于所述音叉111的可測(cè)距范圍，則，直接通過(guò)音叉測(cè)距模塊11測(cè)量探針112與待測(cè)物體表面的精準(zhǔn)距離D2。因?yàn)樗鲆舨鏈y(cè)距模塊11的音叉測(cè)距范圍小于2微米，其測(cè)量分辨率最大可達(dá)到埃米級(jí)，所述激光三角測(cè)距模塊13的測(cè)量范圍則可從納米級(jí)到毫米級(jí)，所以距離D2比距離Dl可更精確的表征探針112到待測(cè)物體100表面的距離。所述音叉111測(cè)量獲得的距離D2即為所述探針112與待測(cè)物體100表面之間的距離。若所述初始距離超出所述音叉測(cè)距模塊12具有的音叉測(cè)距范圍，則由所述控制模塊14控制移動(dòng)所述探針112移動(dòng)一定距離，使移動(dòng)后的所述探針112滿足距離Dl小于所述音叉111的可測(cè)距范圍(即所述音叉測(cè)距范圍)的條件，進(jìn)一步，通過(guò)所述音叉111測(cè)量獲得的距離D2。
[0036]由所述音叉111測(cè)量獲得的所述距離D2的距離信號(hào)可傳送至所述控制模塊14，由所述控制模塊14最終輸出所需的距離參數(shù)。
[0037]本發(fā)明第一實(shí)施例中所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10可適用于各種材料和各種形狀等待測(cè)物體的位移檢測(cè)和精確定位。為了使待測(cè)物體的超微距離定位和位移檢測(cè)更為精確且可以實(shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速定位，還可進(jìn)一步增加本系統(tǒng)的量程，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種超微距離檢測(cè)方法。
[0038]請(qǐng)參閱圖4，本發(fā)明的第二實(shí)施例提供一種超微距離檢測(cè)方法T10，其是在本發(fā)明第一實(shí)施例的基礎(chǔ)之上進(jìn)行超微距離定位和位移檢測(cè)，因此，所述超微距離檢測(cè)方法TlO中，所采用的器件或模塊的標(biāo)號(hào)與本發(fā)明第一實(shí)施例中所述一致。所述超微距離檢測(cè)方法SlO具體可包括如下的步驟:步驟T101，采用激光三角測(cè)距模塊12測(cè)量音叉測(cè)距模塊的探針112與待測(cè)物體表面之間的初始距離；
[0039]步驟T102，判斷所述初始距離是否超出音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍；若是，則進(jìn)入步驟T103后重復(fù)步驟T102;若否，則進(jìn)入步驟T104。
[0040]步驟T103，移動(dòng)所述探針112至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)；
[0041 ]步驟T104，通過(guò)音叉測(cè)量獲得探針與待測(cè)物體表面的距離。
[0042]可以理解，當(dāng)一次移動(dòng)探針后，所述初始距離仍然超出音叉測(cè)距范圍，則需要重復(fù)移動(dòng)探針，直到所述初始距離位于所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)。
[0043]如圖5中所示，在本發(fā)明的第二實(shí)施例一個(gè)較優(yōu)的變形實(shí)施方式中，所述超微距離檢測(cè)方法SlO可具體包括如下的步驟:
[0044]步驟S100，提供激光三角測(cè)距模塊13及音叉測(cè)距模塊12;步驟SlOl，采用激光三角測(cè)距模塊12檢測(cè)探針112與待測(cè)物體表面之間的初始距離；
[0045]步驟S102，判斷所述初始距離是否超出音叉測(cè)距范圍；若否，則進(jìn)入下一步驟S103，若是，則進(jìn)入步驟S109;其中，步驟S109為移動(dòng)探針至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)，探針移動(dòng)到指定位置后需返回步驟SlOl，繼續(xù)進(jìn)行所述探針112與待測(cè)物體表面之間距離的測(cè)量后，重復(fù)進(jìn)彳丁步驟S102 ；
[0046]步驟S103，對(duì)音叉111進(jìn)行掃頻以確定音叉111的諧振頻率；
[0047]步驟S104，鎖定音叉111的諧振頻率；
[0048]步驟S105，收集音叉111的檢測(cè)數(shù)據(jù)；
[0049]步驟S106，對(duì)所述檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
[0050]步驟S107，輸出所需測(cè)量的距離;及
[0051 ]步驟S108，判斷待測(cè)物體是否已測(cè)距完畢;若是，則結(jié)束本次超微距離檢測(cè)，若否，則返回步驟S103，并重復(fù)音叉掃頻、鎖相。
[0052]其中，在上述步驟SlOl中，所述音叉測(cè)距模塊具有一音叉測(cè)距范圍；所述音叉測(cè)距范圍為所述音叉111可進(jìn)行測(cè)距的最大范圍。
[0053]在上述的步驟S103中，啟動(dòng)音叉測(cè)距模塊11中的音叉激諧振掃描模塊113進(jìn)行。在本發(fā)明一些較優(yōu)的實(shí)施例中，如可采用函數(shù)發(fā)生器107a對(duì)所述音叉激諧振頻率進(jìn)行掃描。
[0054]在上述的步驟S104中，啟用鎖相環(huán)模塊114以鎖定音叉111的諧振頻率。
[0055]在上述的步驟S105中，啟用音叉數(shù)據(jù)采集模塊115收集音叉的檢測(cè)數(shù)據(jù)。其中，所述的檢測(cè)數(shù)據(jù)包括所述音叉111的幅值與相位差等信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0056]在上述的步驟S106中，所述檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得所需測(cè)量的所述探針112與待測(cè)物體表面之間的距離。
[0057]請(qǐng)參閱圖6，在本實(shí)施例所提供的超微距離檢測(cè)方法中，所述音叉111進(jìn)行距離測(cè)量的原理如下:給所述音叉111 一個(gè)正弦信號(hào)激勵(lì)使所述音叉111達(dá)到諧振狀態(tài)，當(dāng)音叉111以諧振狀態(tài)靠近待測(cè)物體100時(shí)，由于探針(未標(biāo)號(hào))與待測(cè)物體表面原子間的剪切力作用，使音叉111的振幅和相位發(fā)生變化。這一變化由數(shù)據(jù)采集卡191對(duì)音叉輸出和鎖相環(huán)的鑒相器192輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集而得到。音叉111的諧振頻率和相位鎖定并通過(guò)鑒相器192輸出相位差，而另一方面數(shù)據(jù)采集卡191對(duì)音叉111的振幅信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集進(jìn)行幅值反饋。
[0058]本發(fā)明的第三實(shí)施例提供一種如本發(fā)明第一實(shí)施例中所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10的應(yīng)用，其可用于顯微成像或位移傳感器中。
[0059]具體地，采用本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10，可以與宏動(dòng)高精度機(jī)械線性位移臺(tái)(圖未示)和微動(dòng)壓電納米定位臺(tái)(圖未示)一起構(gòu)成掃描探針顯微鏡，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)探針112的準(zhǔn)確定位，反饋控制實(shí)現(xiàn)探針112與待測(cè)物體表面之間的距離維持恒定，從而完成對(duì)待測(cè)物體表面的成像操作。更進(jìn)一步地，所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10中還可以集成到多種類型的掃描探針顯微鏡、微波探針顯微鏡(如衰逝微波探針顯微鏡等)中，實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)與探針112的耦合，并可實(shí)現(xiàn)探針精確定位到2μπι以內(nèi)，并能使探針112與待測(cè)物體表面之間的距離可控，從而實(shí)現(xiàn)快速顯微成像檢測(cè)。
[0060]在本發(fā)明一些實(shí)施例中，所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10還可作為位移傳感器，如其可用于超微距離位移檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物體的超微位移的精確測(cè)量，可見(jiàn)所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10具有廣泛的適用性。
[0061]更進(jìn)一步地，由于所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)10的體積小易于系統(tǒng)集成，因此，可適用于各種需要超微距離檢測(cè)的儀器(如掃描探針顯微鏡、衰逝微波探針顯微鏡等)或超微距離位移檢測(cè)系統(tǒng)中。
[0062]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法、應(yīng)用具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0063](I)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)其包括激光三角測(cè)距模塊、音叉測(cè)距模塊及控制模塊，所述音叉測(cè)距模塊具有一定的音叉測(cè)距范圍，并且該音叉測(cè)距模塊包括探針;所述激光三角測(cè)距模塊用于測(cè)量所述探針與待測(cè)物體表面之間初始距離，所述控制模塊比較所述初始距離是否超出所述音叉測(cè)距范圍，如果所述初始距離超出所述音叉測(cè)距范圍，則控制述探針移動(dòng)至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)。在本發(fā)明中，通過(guò)整合激光三角測(cè)距模塊以及音叉測(cè)距模塊，并通過(guò)控制模塊來(lái)控制音叉測(cè)距模塊的探針移動(dòng)，通過(guò)所述激光三角測(cè)距模塊的遠(yuǎn)距離粗略定位及采用音叉檢測(cè)近距離精確定位相互配合，可以實(shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速距離檢測(cè)。
[0064](2)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)中，所述音叉測(cè)距模塊包括音叉，所述探針與所述音叉固定連接，且音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍由所述音叉決定。探針與音叉固定連接，可實(shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速距離檢測(cè)。
[0065](3)所述音叉測(cè)距模塊進(jìn)一步包括與所述音叉連接的音叉激諧振掃描模塊、鎖相環(huán)模塊及音叉數(shù)據(jù)采集模塊，本發(fā)明中進(jìn)一步對(duì)所述音叉激諧振掃描模塊、所述鎖相環(huán)模塊與所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊的功能進(jìn)行了進(jìn)一步的限定。通過(guò)對(duì)所述音叉測(cè)距模塊的具體限定，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)檢測(cè)音叉的諧振頻率和振幅的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原子剪切力的實(shí)時(shí)反饋，并可進(jìn)一步快速地獲得所述探針與待測(cè)物體表面距離參數(shù)的測(cè)量。
[0066](4)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)激光三角測(cè)距模塊進(jìn)行了限定，其中，所述激光發(fā)生器用于發(fā)射激光信號(hào)，所述激光檢測(cè)器用于接收激光發(fā)生器發(fā)出的激光信號(hào)，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊用于采集及處理所述激光發(fā)生器與所述激光檢測(cè)器的發(fā)射及接收信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)激光檢測(cè)信號(hào)的快速及準(zhǔn)確的采集與處理。更進(jìn)一步地，所述激光發(fā)生器與所述激光檢測(cè)器之間呈角度分別設(shè)置在所述探針的兩側(cè)，通過(guò)這樣的設(shè)置，將所述激光三角測(cè)距模塊與所述音叉測(cè)距模塊有效結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更快速的超微距離定位和位移檢測(cè)。
[0067](5)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)方法中，包括如下步驟:所述激光三角測(cè)距模塊測(cè)量音叉測(cè)距模塊中探針與待測(cè)物體表面之間的初始距離;通過(guò)比較所述初始距離是否超出音叉測(cè)距范圍，若所述初始距離超出所述音叉測(cè)距范圍，則移動(dòng)探針至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)；可以通過(guò)所述激光三角測(cè)距模塊預(yù)測(cè)音叉測(cè)距模塊中探針跟物體表面的初始距離，實(shí)現(xiàn)探針的快速定位，并當(dāng)所述初始距離超出音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍時(shí)，可將所述探針移動(dòng)至音叉測(cè)距模塊可進(jìn)行測(cè)距的范圍之內(nèi)再進(jìn)行測(cè)距?？梢詫?shí)現(xiàn)所述探針與待測(cè)物體之間的快速超微距離檢測(cè)。
[0068](6)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)方法中，在移動(dòng)所述探針到音叉測(cè)距模塊的測(cè)距范圍后，進(jìn)一步包括以下步驟:對(duì)音叉進(jìn)行掃頻以確定其諧振頻率;鎖定音叉的諧振頻率并收集音叉的檢測(cè)數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明所提供的可實(shí)現(xiàn)通過(guò)檢測(cè)音叉的諧振頻率和振幅的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)超微距離檢測(cè)方法中對(duì)原子剪切力的實(shí)時(shí)反饋，并進(jìn)一步更快速地獲得所述探針與待測(cè)物體表面距離參數(shù)的測(cè)量。
[0069](7)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)方法中，采用控制模塊控制移動(dòng)所述探針，通過(guò)這樣的方法可實(shí)現(xiàn)所述探針的快速精準(zhǔn)移動(dòng)，從而使所述探針與待測(cè)物體表面的移動(dòng)距離可控性強(qiáng)且移動(dòng)快速，從而可實(shí)現(xiàn)探針與待測(cè)物體表面之間的快速測(cè)距。
[0070](8)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)及其方法可避免采用現(xiàn)有的待測(cè)物體超微距離定位或顯微成像時(shí)，探針與待測(cè)物體的靠近需要不斷保持微小步進(jìn)并進(jìn)行音叉實(shí)時(shí)掃頻檢測(cè)，非常耗費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題，提供一種快速實(shí)現(xiàn)超微距離定位和位移檢測(cè)的技術(shù)方案。
[0071](9)本發(fā)明所提供的超微距離檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，其可實(shí)現(xiàn)精確和快速的顯微成像及位移傳感，此外，由于所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)中探頭體積小易于系統(tǒng)集成，因此，可適用于各種需要超微距離定位的儀器(如掃描探針顯微鏡、衰逝微波探針顯微鏡等)或超微距離的位移檢測(cè)系統(tǒng)。
[0072]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)所作的任何修改，等同替換和改進(jìn)等均應(yīng)包含本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:其包括激光三角測(cè)距模塊、音叉測(cè)距模塊及控制模塊;所述音叉測(cè)距模塊具有一定的音叉測(cè)距范圍，并且該音叉測(cè)距模塊包括探針;所述激光三角測(cè)距模塊用于測(cè)量所述探針與待測(cè)物體表面之間初始距離，所述控制模塊用于比較所述初始距離是否超出音叉測(cè)距范圍，如果所述初始距離超出所述音叉測(cè)距范圍，則控制所述探針移動(dòng)至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)。2.如權(quán)利要求1中所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述音叉測(cè)距模塊包括音叉，所述探針與所述音叉固定連接，且音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍由所述音叉決定。3.如權(quán)利要求2中所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述音叉測(cè)距模塊進(jìn)一步包括與所述音叉連接的音叉激諧振掃描模塊、鎖相環(huán)模塊及音叉數(shù)據(jù)采集模塊。4.如權(quán)利要求3中所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述音叉激諧振掃描模塊用于對(duì)所述音叉進(jìn)行掃頻以確定所述音叉的諧振頻率;所述鎖相環(huán)模塊用于對(duì)所述諧振頻率進(jìn)行鎖定;所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊用于收集所述音叉的檢測(cè)數(shù)據(jù)。5.如權(quán)利要求1中所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光三角測(cè)距模塊進(jìn)一步包括激光發(fā)生器、激光檢測(cè)器及與兩者連接的激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊，所述激光發(fā)生器用于發(fā)射激光信號(hào)，所述激光檢測(cè)器用于接收激光發(fā)生器發(fā)出的激光信號(hào)，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊用于采集及處理所述激光發(fā)生器與所述激光檢測(cè)器的發(fā)射及接收信號(hào)。6.如權(quán)利要求5中所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)生器與所述激光檢測(cè)器之間呈角度分別設(shè)置在所述探針的兩側(cè)。7.一種超微距離檢測(cè)方法，其特征在于:其包括以下步驟:采用激光三角測(cè)距模塊測(cè)量音叉測(cè)距模塊中探針與待測(cè)物體表面之間的初始距離；比較所述初始距離是否超出音叉測(cè)距模塊的音叉測(cè)距范圍，若所述初始距離超出所述音叉測(cè)距范圍，則移動(dòng)所述探針至所述音叉測(cè)距范圍內(nèi)；通過(guò)音叉測(cè)距模塊測(cè)量獲得探針與待測(cè)物體表面的距離。8.如權(quán)利要求7中所述超微距離檢測(cè)方法，其特征在于:在所述超微距離檢測(cè)方法中，在移動(dòng)所述探針到音叉測(cè)距模塊的測(cè)距范圍后，進(jìn)一步包括以下步驟:對(duì)音叉測(cè)距模塊的音叉進(jìn)行掃頻以確定其諧振頻率;鎖定音叉的諧振頻率并收集音叉的檢測(cè)數(shù)據(jù)。9.如權(quán)利要求8中所述超微距離檢測(cè)方法，其特征在于:在所述超微距離檢測(cè)方法中，進(jìn)一步采用控制模塊移動(dòng)所述探針。10.—種超微距離檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于:如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述超微距離檢測(cè)系統(tǒng)，其可用于顯微成像或位移傳感器中。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK106052563SQ201610379055
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】向勇, 王聰, 趙正爽
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)