[发明专利]一种多探针电容位移传感器和表面测量方法

说明书

本发明公开了一种多探针电容位移传感器和表面测量方法，属于精密位移和表面测量相关技术领域。装置包括多探针测头、计量单元和直线直驱电机，多探针测头采用阵列式铰链结构支承阵列式探针，每个探针连接片上的铰链结构的导电膜，与上方的固定板上的导电膜构成电容位移计量单元，结合固定板上的激光干涉计量单元，则可以获得探针的位移。直线直驱电机驱动整个多探针测头，水平位移机构带动被测件进行二维位移，可以实现表面形貌的大量程多探针扫描测量。本发明装置结构简单，操作简单，测量精度和效率高。

技术领域

本发明属于精密位移和表面测量相关技术领域，更具体地，涉及一种多探针电容位移传感器和表面测量方法。

背景技术

精密和超精密加工技术的发展，对表面形貌测量要求越来越高，需要高精度、快速高效的测量，高精度位移传感器决定精密加工与精密测量的精度，在实际生产中起着举足轻重的作用。

相较于电感式、电阻式、光电式和新兴的光纤式传感器等常见的微位移测量传感器，电容式传感器具有结构简单、动态响应特性好、适应性强和能够实现非接触式测量等优点。电容传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热小，对稳定性影响甚微。电容传感器结构简单，易于制作，可以做的非常小巧，以实现某些特殊测量。因为电极板间静电力小，电容位移传感器的测量范围小，无法满足表面形貌测量需求，在表面形貌测量中应用较少。触针式位移传感器测量精度高，在表面形貌测量中广泛应用，但单点扫描速度慢，效率较低。专利CN2012100944381公开了一种多探针平面度检测仪及其检测方法，采用白光干涉检测多探针悬臂梁的形变，测量范围小，很难满足生产实践中的测量应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多探针电容位移传感器和表面测量方法，旨在解决现有位移测量传感器测量范围小的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种多探针电容位移传感器，包括多探针测头、计量单元和直线直驱电机，多探针测头与直线直驱电机连接，计量单元位于直线直驱电机上方，用于测量直线直驱电机带动多探针测头的位移量。多探针测头通过多个电容传感器计量相应阵列位置处探针的位移，可实现多探针的小位移同步测量和被测表面的测量。

进一步地，直线直驱电机包括直线直驱电机定子、直线直驱电机动子、直线直驱电机定子线圈和直线直驱电机动子磁铁；直线直驱电机定子线圈安装在直线直驱电机定子上，直线直驱电机动子磁铁安装在直线直驱电机动子上；直线直驱电机动子通过连接件与所述多探针测头连接，用于带动多探针测头做轴向移动。

进一步地，所述多探针测头包括阵列式探针、下固定板、弹簧、探针连接片、上固定板、探头座和第一反射镜；下固定板、弹簧、探针连接片、上固定板及第一反射镜自下而上固定在探头座上；阵列式探针固定在探针连接片上；探针连接片和上固定板之间的阵列式导电膜构成阵列式电容传感器。

进一步地，所述阵列式探针为金刚石触针、硬质合金触针或硅扫描探针等。

进一步地，所述探针连接片上阵列式分布对称簧片柔性铰链结构，每个柔性铰链结构的上表面镀有导电膜。

进一步地，所述上固定板在与阵列柔性铰链结构对应位置处的下表面镀有导电膜。

进一步地，计量单元包括第二反射镜、第一波片、偏振分光镜、第一偏振片、光电探测器、激光器及第二波片；所述激光器、所述偏振分光镜、所述第一波片、所述第二反射镜自右向左依次间隔设置；所述第二波片在所述偏振分光镜下方设置；所述第一偏振片、所述光电探测器自下向上在所述偏振分光镜上方设置；所述第一波片及第二波片均为1/4波片。计量单元用于测量所述直线直驱电机动子带动所述多探针测头的位移；通过电容传感器测量探针的位移；结合多探针测头的位移和阵列式探针的位移即可实现大位移同步测量。