[发明专利]量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法与装置

权利要求书

1.一种量子隧穿和球面散射场复合原理传感方法，其特征在于：所述传感方法采用量子隧穿和球面散射场复合原理传感装置，所述装置包括复合原理测头（1）、复合原理信号处理系统（2）、测头姿态调整机构（3）、防撞安全保护机构（4）、测量驱动机构（5）；所述复合原理测头（1）由微测球（6）、信号传输机构（7）、屏蔽机构（8）、装卡机构（9）、信号连接器（10）、绝缘部件（18）和信号线（19）构成，所述微测球（6）与信号传输机构（7）的下端相连接，信号传输机构（7）的上端通过信号线（19）与信号连接器（10）相连，信号传输机构（7）的主体位于屏蔽机构（8）中，屏蔽机构（8）装配在装卡机构（9）上，在屏蔽机构（8）内配装绝缘部件（18），信号连接器（10）连接信号传输电缆（11），屏蔽机构（8）、装卡机构（9）和信号连接器（10）的外壳与信号传输电缆（11）的屏蔽层无缝连接；所述复合原理信号处理系统（2）由偏置电场发生系统（12）、复合原理信号检测系统（13）、限流单元（14）、通信电缆（16）和仪器主控计算机（17）构成，所述偏置电场发生系统（12）和复合原理信号检测系统（13）通过通信电缆（16）分别与仪器主控计算机（17）连接；复合原理测头（1）的信号连接器（10）、限流单元（14）、复合原理信号检测系统（13）、偏置电场发生系统（12）、被测件（15）通过信号传输电缆（11）依次串接，构成传感信号检测回路；复合原理测头（1）装配在所述测头姿态调整机构（3）上，所述测头姿态调整机构（3）与所述防撞安全保护机构（4）固定装配，测量驱动机构（5）安装在防撞安全保护机构（4）或被测件（15）上；

所述方法包括以下步骤：

① 采用测头姿态调整机构对复合原理测头相对被测件的姿态进行调整，使复合原理测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件，在两者之间的相对距离进入工作区间后，测量驱动机构停止驱动；

② 先用球面散射场传感原理传感，得到被测件和微测球瞄准间隙的粗测结果，根据该粗测结果控制测量驱动机构，使微测球和被测件的瞄准间隙直接进入量子隧穿原理的工作区间内，然后采用量子隧穿传感原理进行传感，采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号；

③ 采用复合原理信号检测系统对上述②中传感信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、纳米分辨力传感与测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微测球（6）采用不锈钢或碳化钨材料制成，球体表面镀金或铂材料薄膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微测球（6）直径在ϕ1μm~ϕ1mm范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测头姿态调整机构（3）为二维柔性铰链、二维气浮轴承或气浮球轴承结构。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述屏蔽机构（8）和所述信号传输电缆（11）均为多同轴结构。