[发明专利]一种主动式恒力触测的扫描传感器及其使用方法

说明书

本发明公开了一种主动式恒力触测的扫描传感器及其使用方法，利用压电陶瓷高精度、高频率的响应特性，通过合理地驱动压电陶瓷的运动，调节微纳测针的测针针尖触测端在测量中与被测样件表面的触测力小于输出感应器的分辨率，从而消除摩擦力对测量结果造成的偏差。这种情况下的恒力测量，也保证了测量结果存在的摩擦力致误差可以通过数据处理的方式进行消除。本发明实现了对触测力的主动控制，极大降低摩擦力造成的测量偏差，提高了测量精度，结构相对简单，测量系统的复杂性低。

技术领域

本发明属于微纳形貌检测领域，具体涉及一种主动式恒力触测的扫描传感器及其使用方法。

背景技术

在微纳形貌检测领域，扫描传感器比如雷尼绍三维测头，或者光学非接触测量仪器广泛应用。非接触式光学测量的精度一般要小于接触式测头。而接触式测头，主要分为点触式和连续轮廓扫描式两种。点触式应用受到限制，只能配合三坐标测量机使用；而连续轮廓扫描测头则可以通过连续性的接触式扫描，获得规则或曲面工件表面轮廓的大量数据信息，从而能够对工件形貌质量作出精确的评价。但是，由于扫描测头的高精度，扫描过程中伴随触测力而生的摩擦力极大地影响了测头的探测精度，导致测量结果失真。

针对这种情况，目前有效地处理方式有两种，一是测头的弹性机构中增加限位模块，抑制扫描中由于摩擦力而产生的寄生运动；一是采用额外的测量模块，比如雷尼绍采用的分离式光学模块，实时地检测测头上测针的三维位移，并在测量系统中对摩擦误差部分进行补偿，从而消除摩擦力。虽然以上方法对改善扫描摩擦力的影响有一定效果，但是要么降低了精度，要么增大了系统的复杂性。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种主动式恒力触测的扫描传感器及其使用方法，能够实现对触测力的主动控制，极大降低摩擦力造成的测量偏差，提高了测量精度，且结构相对简单，测量系统的复杂性低。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种主动式恒力触测的扫描传感器，包括非接触传感器、第一固定座、线弹性形变机构、微纳测针和压电陶瓷；所述线弹性形变机构包括中间臂、第一侧臂和第二侧臂，所述第一侧臂的一端连接在所述中间臂的一侧上，且在连接点处将所述中间臂分为长臂和短臂，所述第二侧臂的一端连接在所述中间臂的另一侧上，且所述第一侧臂与所述第二侧臂相对于所述中间臂对称设置；

所述第一侧臂与所述第二侧臂分别与所述第一固定座的下端面固定连接，且所述中间臂的上端面与所述第一固定座的下端面之间预留有间隙，所述间隙用于给所述长臂和所述短臂提供形变空间；所述微纳测针的一端与所述中间臂的下端面垂直连接，且所述微纳测针的测针针尖的指向与所述长臂的延伸方向一致；所述压电陶瓷位于所述短臂末端的正下方，且所述压电陶瓷发生形变时能够使所述短臂的末端发生沿垂直于所述第一固定座下端面方向的形变位移；所述非接触传感器位于所述长臂末端的正上方，且所述长臂的末端发生沿垂直于所述第一固定座下端面方向的形变位移时，始终处于所述非接触传感器测量范围内。

进一步地，所述第一侧臂、第二侧臂和中间臂位于同一平面，且所述第一侧臂与所述长臂之间的夹角为40°至60°，所述第二侧臂与所述长臂之间的夹角为40°至60°。

进一步地，所述第一侧臂与所述长臂之间连接有加强臂，且所述加强臂与所述第一侧臂和所述长臂围成内等腰三角形；所述第二侧臂与所述长臂之间连接有加强臂，且所述加强臂与所述第二侧臂和所述长臂围成内等腰三角形。

进一步地，所述第一固定座的下端面上设置有两个凸块，每个所述凸块的高度为100μm-200μm，所述第一侧臂远离所述中间臂的一端固定连接在其中一个所述凸块上，所述第二侧臂远离所述中间臂的一端固定连接在另一个所述凸块上。

进一步地，所述中间臂的下端面上开设有第一通孔，所述第一通孔位于所述第一侧臂和第二侧臂与所述中间臂交接的位置处，所述微纳测针的一端伸进所述第一通孔后与所述中间臂连接。