基于干涉传感的触针式位移测量系统的研究

摘要

表面形貌的测量与评定是当今纳米计量学的研究热点，各种高精密的表面形貌测量仪都需要配备一种纳米级分辨率的微位移测头系统。该测头系统可以采用两种测量方式：接触式或非接触式，但由于接触式测头系统具有结果可靠、分辨率高、重现性好等优点而被广泛应用。因此，设计一种触针式微位移测头系统在表面工程计量领域中具有重要意义。
　　首先设计一种杠杆式触针微位移转换系统，将触针探头的微位移转换为仪器内部的机械位移。为获得良好的动态特性，对杠杆两端结构及其所连接元器件进行设计优化。选用高质量光学器件和补偿器件，构建激光干涉微位移测量系统来实现内部机械位移的测量。通过坐标分析法建立被测量与光程差的关系，并分析大范围测量时的非线性误差，提出用光栅角度传感系统的补偿策略。针对触针探测力随着杠杆转角变化的问题，提出一种基于音圈电机力来实现探测力恒定的技术，并给出了扁平矩形音圈电机的设计。
　　最后搭建实验平台，获得音圈电机的电流-推力曲线，并结合触针探测力随着杠杆转角的变化关系获得转角-控制电流曲线。通过一个凸透镜片轮廓线的实际测量，验证位移测量过程中触针探测力的恒定，并用光栅角度传感系统及激光干涉系统获取被测位移的正交信号。

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第 1章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2触针式轮廓仪国内外研究现状

1.3触针式测头的原理

1.4主要研究内容

第 2章总体结构设计

2.1引言

2.2工作原理和性能要求

2.3触针测量系统结构设计

2.4触针式位移测量系统的总体结构

2.5 ANSYS模态分析

2.6本章小结

第 3章干涉传感系统与测量模型的建立

3.1引言

3.2激光干涉位移传感器的光路

3.3激光器及其主要光学器件的选择

3.4模型分析

3.5光栅角度传感系统

3.6本章小结

第 4章恒力系统的设计

4.1引言

4.2触针探测力对测量结果的影响

4.3触针杠杆机构的受力分析

4.4音圈电机

4.5 ANSYS电磁学仿真

4.6音圈电机的力控制模式

4.7本章小结

第 5章实验与分析

5.1引言

5.2实验平台的搭建

5.3推力特性实验

5.4凸透镜测量实验

5.5本章小结

结论

参考文献

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