[发明专利]一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器

说明书

本发明公开了一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，涉及微结构面形质量检测技术领域。所述的传感器主要由测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块等组成；所述的测头模块由探针和探杆构成，可跟随被测样品表面的变化而移动，所述的测头支撑模块用来给测头模块提供径向支持力，所述的位移检测模块，用来测量测头的位移信息；所述的测量力控制模块包括衔铁、电磁铁和微拉压力传感器，可检测和控制测量力。本发明通过调节电磁力将测量力控制在某一范围，既可以保证探针与样品的良好接触，又不会损伤样品，提高了触针式位移传感器的测量精度。彻底改变了传统触针式位移传感器中测量力不可测且不易控制的技术缺陷。

技术领域

本发明涉及微结构面形质量检测技术领域，特别涉及一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器。

背景技术

触针式位移传感器是形貌测量仪器的核心器件，广泛地用于工业在线和离线零件的表面形貌测量检测和表征。

对于触针式位移传感器，触针与被测样品之间测量力的大小将直接影响微结构形貌检测质量高低。测量力过大会使触针尖端和被测样品表面发生较大形变，对于触针而言较大的测量力轻则使触针尖端发生磨损影响测量精度，重则使触针断裂；对于被测样品而言，测量力过大将划伤样品表面，造成样品永久性损伤。若测量力较小将无法保证触针与样品的良好接触，容易出现触针的跳动，粘滑失稳等现象，影响触针跟随样品表面变化而变化的能力。因此针对不同材质的被测样品，应该控制不同的测量力，以保证最佳的测量效果。

当前触针式位移传感器测量力的产生与控制主要有以下几种：一是利用触针及与其连接的其他构件的重力产生测量力。这种方法的缺点是：测量力为一固定值，不能按照被测样品材料的变化而改变，传感器只能针对某些特定材料的样品进行测量，影响了传感器的使用范围。二是将触针与弹性元件连接，利用弹性元件的弹力产生测量力。这种方法的缺点是：测量力会随着样品表面形貌的变化而改变，不能始终保持在一个合适的范围内，在某些情况下会对样品造成损伤。三是利用音圈电机与弹性元件结合的方式提供和改变测量力。这种方法的缺点是：通过改变音圈电机的电压调节触针与被测样品之间的相对位置，这在一定程度上可以改变测量力的大小，但其目的是为了扩大传感器的量程而不是主动控制测量力，最终的测量力还是由弹性元件的弹力提供，无法从根本上解决上述第二种方法中存在的技术缺陷。另外上述第二和第三种方法中测量力的大小是未知的，测量时只能通过经验判断是否可以测量某一样品而不至于将其损伤，给测量带来诸多不便。

发明内容

为解决以上触针式位移传感器在测量力控制方面的技术难题，实现对测量力的精确测量与控制，我们发明了一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器。该传感器采用的技术方案详见下文描述。

本发明涉及一种用于微形貌检测的测量力可控的触针式位移传感器，主要包括：测头模块、测头支撑模块、位移检测模块、测量力控制模块等。所述的测头模块包括用于接触样品表面并感知其表面高低变化的探针(1)和探杆(2)，探针(1)安装在探杆(2)下端，探杆(2)设置在测头支承模块内。

所述的测头支撑模块包括非接触式轴承(3)和传感器基座(4)，所述的非接触式轴承为一种磁悬浮轴承或空气轴承，若为磁悬浮轴承则所述的探杆表面需要涂有一层磁性材料，使磁悬浮轴承和探杆之间产生径向作用力，若为空气轴承则探杆表面不需要进行处理就可以产生径向作用力；所述的非接触式轴承固定安装在传感器基座(4)上，并通过轴承控制模块(13)与信号分析处理模块(11)连接。

所述的位移检测模块，包括标尺光栅(5-2)和读数头(5-1)，所述的标尺光栅设置在探杆(2)上，可随着探杆移动；所述的读数头安装在传感器基座(4)上，并通过位移信号采集模块(12)与信号分析处理模块(11)连接，用来读取探杆的位移信息。