[发明专利]活塞式高精度微位移传感器及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及微位移检测技术，更具体的说，是一种利用活塞式高精度微位移传感器实现精度在μm-nm级微位移检测的方法及系统。 

背景技术

微位移检测技术与集成电路制造技术及机械加工技术同步发展，而机床行业和集成电路行业是位移检测技术最大的市场，它是一门不断发展的技术。寻找基于新原理、新结构的位移检测方法，提高微位移传感器实用性和经济性是它发展的基本方向。 

微位移检测技术的发展，经历了经典电磁位移检测阶段和光学测量位移阶段。电磁位移检测法就是将位移的变化转换成各种电学量进行测量，可以用电容式、电阻式、电涡流式、电感式位移测量以及霍尔元件等来测量微小位移。光学测量位移法目前开发的特点是激光干涉检测技术比例逐渐增大，这基本上与半导体激光器的成功生产有关。利用这种技术制成的位移传感器精确度能达到光波的波长级甚至纳米级，这使得它在这个范围测量传感器的开发和生产成为一个独立的产业。 

光纤位移检测技术具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、光路有可绕曲性、结构简单、体积小和重量轻等特点，这使得光纤位移检测技术成为机载光学位移传感的一个发展趋势，是当今世界各国科技界研究的热点之一。近二十年来，微位移检测技术水平不断提高，获得了巨大的进步，涌现出了许多新型的检测技术和手段，但在实用性和经济性上尚没有很好的结合点。目前，高精度的微位移传感技术应用市场被国外少数几家厂家所垄断，如德国HEINDENHAIN，英国RENISHAW、NEWALL，日本MITUTOYO、SONY，美国ANILAM、METRONICS。微位移检测传感技术在我国的研究范围还不多见，这类技术的产品也不很丰富，但随着工业发展我国却需要大量的这种产品。因此，如果国内能研制这类传感器，替代国外产品，将会有可观的经济效益和社会效益。为此开发微位移检测技术的传感器具有重要的工程意义和广阔的应用前景。

微位移检测技术主要有以下几个应用领域： 

(1)机床业传感器，工作范围为1m，分辨率为0.5-1μm，测量最大速度为1000mm/s； 

(2)微电子传感器，工作范围为200mm，分辨率为1-2nm，误差10nm，最大测量速度为100-200mm/s； 

(3)机器人装置传感器，工作范围为50-100mm，误差为50μm； 

(4)精较机自动检测系统，工作范围为-1.5-1.5mm，精确度为1μm。 

对于一些测量环境比较恶劣、测量精度要求高的应用场合，可以选择光栅位移传感技术进行测量，然而，光学传感器的价格始终比较昂贵，应用范围有限。而对于一些用于试验观察或精度要求不很高的应用场合，目前主要应用电测法进行测量，但电测法检测的精度不是很高，而且价格也不算特别便宜。 

发明内容

针对微位移检测与工程实际应用相结合存在的问题，为实现低成本、高精度的微位移检测目的，实现机床、微电子、机器人等行业中的μm-nm级微位移检测目的，本发明提供一种活塞式高精度微位移传感器及其检测方法。 

一种活塞式高精度微位移传感器，其特征在于：包括气缸缸体、连接法兰、微行程管；其中气缸缸体被活塞分成气体装载腔和液体装载腔两个腔；连接法兰位于气体装载腔一侧，并通过气缸活塞杆与活塞相连；液体装载腔经过液体缓冲器与微行程管一端相连通，气体装载腔与微行程管另一端相连通；微行程管内装有电阻丝，该电阻丝与一电源形成检测电路。 

一种利用所述活塞式高精度微位移传感器的微位移检测方法，其特征在于包括以下过程： 

(a)、把气缸缸体固定，连接法兰与待测微运动部件连接，形成一个微位移可测量的检测系统； 

(b)、待测微运动部件发生微小位移时通过活塞杆推动活塞在气缸缸体内运动； 

(c)、如果活塞向液体装载腔一侧运动，则液体通过液体缓冲器流入微行程管(110)中，微行程管中的空气导入气体装载腔；如果活塞向气体装载腔一侧运动，则微行程管中的液体通过液体缓冲器流入液体装载腔，气体装载腔中的空气导入微行程管； 

(d)、活塞作用下的液体在微行程管中移动导致电阻丝的阻值变化，检测电阻丝的阻值大小实现对微位移信息的检测。