[实用新型]磁悬浮触针位移传感器

说明书

本实用新型属于位移传感器领域，并具体公开了磁悬浮触针位移传感器，包括触针轴悬浮模块、触针轴导向模块、测量探头模块和位移测量模块，所述触针轴悬浮模块用于悬浮支撑触针轴，并且可控制测量力；所述触针轴导向模块包括磁悬浮轴承和间隙传感器，用来保证触针轴在测量过程中处于中心位置；所述测量探头模块包括触针夹持头和触针，触针随被测工件垂直方向上位移的变化而上下移动；所述位移测量模块通过检测激光干涉条纹实现物体垂直方向位移的测量。本实用新型通过调节悬浮模块线圈中电流的大小来控制测量力，以保证触针与被测物接触又不划伤被测物，与传统杠杆触针式传感器相比，具有测量高精度，运动稳定性好等优点。

技术领域

本实用新型属于位移传感器领域，更具体地，涉及一种磁悬浮触针位移传感器。

背景技术

接触式测量以其稳定可靠、测量范围大、结构简单、抗干扰能力强、分辨力较高等优点被广泛应用各种场合，比如测量表面的微形貌，工件表面在工作台的带动下以一定的速度运动，触针实时地贴合表面，表面的粗糙度，纹理结构使得触针发生微小的上下移动，这种上下移动可以通过光学干涉计量系统，再转化成电信号测量。接触部分的触针，其针尖通常是以平坦或圆形尖端终止的金字塔或圆锥形金刚石，触针锥形尖端圆弧半径一般为2、5或10μm，锥角60°或90°。支承的机械结构作为传感器的输入端将影响整个系统的性能。

传统的接触式测量最主要的为杠杆式触针位移传感器，如图1所示。接触式测量通常是让装在杠杆一端的触针随着被测表面轮廓起伏运动，通过杠杆的另一端的位移传感器将被测表面高度信息转换成电学信号，随后对信号进行处理，从而得到被测表面信息。由于采用杠杆结构，在测量过程中杠杆总是要绕其支点转动，触针走过的轨迹是一段弧线，这会不可避免地引起测量误差，而且测量误差会随着测量范围的增加而增大，这使得测量得到的轮廓和零件的原始轮廓不相符。同时，触针与零件间测量力的大小也随着测量范围的变化而变化，这不仅会划伤被测表面，而且会加剧触针针尖的磨损，还会影响测量结果，该方法并不能真实反映被测对象的相关信息。

随着现代科技尤其加工制造、控制、计算机等技术的成熟，使得触针在垂直方向上运动并在垂直方向上计量成为可能。同时，随着超精密加工技术、半导体工业、MEMS技术的发展，在纳米尺度内进行超精密表面形貌准确测量的需求越来越迫切。因此，研究在测量原理上尽可能地减少误差，直接在垂直方向上探知被测表面微观凸凹信息，真实准确地反映被测表面相关信息是十分迫切的。目前，在垂直方向直接计量被测表面形貌信息的可溯源表面形貌测量仪器已达到纳米级的分辨率，但触针轴在垂直方向的运动完全都是靠气浮轴承的导向作用实现，气浮轴承出气口处的气流会影响触针和计量装置的稳定性和精度，会影响测量结果，并且需要额外的气源装置提供恒定压力空气。CN201511071455.7公开了一种用于微形貌测量的磁悬浮触针式位移传感器，其测量对象是表面的微观形貌，其悬浮模块采用的是磁悬浮支承座与探杆间的作用力，在基座内设电磁线圈，该测量装置操作上存在诸多不便；其探杆在水平方向上容易发生偏摆，会影响光栅计量的精度；触针的支承只靠磁悬浮轴承悬浮保证，没有导向模块，更没有进行必要的位移反馈补偿，无法保证表面微观形貌测量对触针的稳定性要求。因此，有必要研究设计一种新型的触针式位移传感器。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁悬浮触针位移传感器，其中通过对其关键组件(如触针轴悬浮模块、触针轴导向模块)结构及其具体设置方式的研究和设计，相应地可有效解决定位精度及测量精度差的问题，具有测量精度高，运动稳定性好，结构简单，操作方便等优点。

为实现上述目的，本实用新型提出了磁悬浮触针位移传感器，其包括触针轴悬浮模块、触针轴导向模块以及分别设于触针轴悬浮模块的下方和上方的测量探头模块和位移测量模块，其中：

所述触针轴悬浮模块包括触针轴、环形磁铁和线圈保持架，该环形磁铁安装在所述触针轴上，并与触针轴过盈配合，该线圈保持架套装在所述触针轴的外部，并且其内表面与所述环形磁铁相对，外表面的上、下端分别缠绕有上悬浮线圈和下悬浮线圈，该上悬浮线圈和下悬浮线圈彼此平行且共轴；