一种基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器及检测方法

摘要

本发明属于精密位移测量相关技术领域，其公开了一种基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器及检测方法，位移传感器包括自上而下设置的差分偏振干涉器、音圈电机及悬浮触针机构，悬浮触针机构连接于音圈电机；音圈电机包括活动地相连接的音圈电机定子及音圈电机动子，音圈电机动子用于带动悬浮触针机构做竖直移动；悬浮触针机构包括连接于音圈电机动子的悬浮轴承及活动地连接于悬浮轴承的触针轴；差分偏振干涉器用于测量触针轴相对于悬浮轴承的位移以得到一级位移量；通过测量音圈电机动子相对于音圈电机定子的位移得到二级位移量，将一级位移量及二级位移量运算结合即可得到被测表面的测量结果。本发明提高了稳定性及可靠性，扩展了测量范围。

说明书

技术领域

本发明属于精密位移测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器及检测方法。

背景技术

随着制造技术问题向着精密及超精密方向发展，对于零件的表面形貌精度的要求也在不断的提高，表面形貌测量参数包括轮廓度、波纹度、粗糙度等，对测量理论的研究和测量仪器的研发成为人们研究的重点。

表面形貌测量方法主要分为接触式和非接触式，传统的接触式测量主要是杠杆式测量结构，在测量过程中杠杆绕支点转动，使得触针走过的轨迹是一段弧线，但是这种结构会不可避免地产生非线性误差。同时，触针与零件间的测量力会随测量长度的变化而变化，这不仅会划伤被测表面，加剧触针针尖的磨损，还会影响测量结果。

悬浮触针式测量结构是近几年才开始研究的一种接触式表面测量方式，相较于杠杆式测量结果，没有非线性误差，触针运动方向与测量方向一致，测量精度高。专利CN111351451、CN104713496A、CN107883835A中公开了一种表面微观形貌测量传感器，采用气浮或磁浮支承实现触针轴的径向支承，利用电磁力控制装置实现触针轴的测量力可控，测量精度高。但是电磁力控制结构对轴向力进行控制，线圈结构限制了触针轴的位移范围，因此测量范围小，无法满足大量程测量需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器及检查方法，所述传感器采用悬浮支撑实现测量触针与测量方向同向位移，避免非线性误差，且测量力大小可控，测量精度高；通过音圈电机带动悬浮触针机构进行整体位移，在悬浮机构测量的基础上，扩大了传感器的测量范围，使得传感器适用面广，对不同的测量对象的适用性强，同时通过差分偏振干涉器实现对触针轴上下位移量的测量，具有测量精度高、稳定性好和可靠性好等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器，所述位移传感器包括差分偏振干涉器、音圈电机及悬浮触针机构，所述差分偏振干涉器、所述音圈电机及所述悬浮触针机构自上而下设置，所述悬浮触针机构连接于所述音圈电机远离所述差分偏振干涉器的一端；

所述音圈电机包括音圈电机定子及部分地收容于所述音圈电机定子内的音圈电机动子，所述音圈电机动子连接于所述悬浮触针机构，其用于带动所述悬浮触针机构做竖直移动；所述悬浮触针机构包括连接于所述音圈电机动子的下端的悬浮轴承及活动地连接于所述悬浮轴承的触针轴；

所述差分偏振干涉器用于测量所述触针轴相对于所述悬浮轴承的位移以得到一级位移量；通过测量所述音圈电机动子相对于所述音圈电机定子的位移得到二级位移量，将一级位移量及二级位移量运算结合即可得到被测表面的测量结果。

进一步地，所述差分偏振干涉器包括第一波片、第二波片、第三波片、第四波片、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第五偏振分光镜、第六偏振分光镜、第一偏振片、第四平面反射镜、第五平面反射镜、单频激光器及光电探测器；所述单频激光器、所述第一偏振分光镜、所述第二偏振分光镜及所述第一波片自上而下沿第一竖直方向间隔设置；所述第四平面反射镜、所述第三偏振分光镜、所述第二波片自上而下沿第二竖直方向间隔设置；所述第五平面反射镜、所述第四偏振分光镜、所述第三波片自上而下沿第三竖直方向间隔设置；所述光电探测器、所述第一偏振片、所述第五偏振分光镜、所述第六偏振分光镜、所述第四波片自上而下沿第四竖直方向间隔设置；所述第一竖直方向、所述第二竖直方向、所述第三竖直方向及所述第四竖直方向自左向右依次间隔设置。

进一步地，所述第一波片、所述第二波片、所述第三波片及所述第四波片均是1/4波片。

进一步地，所述音圈电机包括音圈电机动子线圈及音圈电机磁铁，所述音圈电机定子呈圆柱状，其朝向所述悬浮触针机构的一端开设有环形槽，所述音圈电机定子还开设有通孔，所述通孔的中心轴与所述环形槽的中心轴重合；所述音圈电机动子的一端开设有第一凹槽，所述第一凹槽的底面开设有通槽；所述音圈电机动子开设有所述第一凹槽的一端部分地收容在所述环形槽内，所述音圈电机动子线圈及所述音圈电机磁铁均收容在所述环形槽内。

进一步地，所述悬浮触针机构包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、悬浮轴承、电磁屏蔽环、电磁线圈、磁铁及触针；所述触针轴为上下分离结构，其包括上触针轴及下触针轴，所述上触针轴与所述下触针轴之间通过粘接或者紧配合连接在一起；所述触针连接于所述下触针轴远离所述上触针轴的一端；所述悬浮轴承呈阶梯状，其连接于所述音圈电机动子；所述上触针轴的一端依次穿过所述悬浮轴承及所述通槽后伸入所述第一凹槽；所述电磁屏蔽环连接于所述悬浮轴承的下端；所述电磁线圈安装在所述电磁屏蔽环内部，且所述电磁屏蔽环内部的上下两端各安装一个所述电磁线圈。

进一步地，所述上触针轴为空心结构。

进一步地，所述音圈电机还包括限位块，所述限位块设置于所述悬浮轴承的外侧，其用于限制所述悬浮触针机构的移动，以防止所述音圈电机线圈未通电时所述悬浮触针机构下落。

进一步地，所述第一平面反射镜设置在所述上触针轴收容于所述第一凹槽内的一端上，所述第二平面反射镜及所述第三平面反射镜分别设置在所述悬浮轴承上且位于所述通槽内；所述第二平面反射镜及所述第三平面反射镜相对于所述第一平面反射镜对称设置。

进一步地，所述第一波片及所述第四波片分别与所述第二平面反射镜及所述第三平面反射镜相对设置；所述第二波片及所述第三波片分别与所述第一平面反射镜相对设置。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于差动偏振干涉的检测方法，该检测方法是采用如上所述的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器进行位移检测的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器及检测方法主要具有以下有益效果：

1.本发明采用悬浮触针式测量结构，通过悬浮支承实现垂直测量，避免非线性误差的存在，提高了测量精度。

2.采用音圈电机对悬浮触针机构进行整体位移，通过测量音圈电机动子相对于音圈电机定子的垂直位移，在悬浮触针机构的基础上，扩大了传感器的量程范围，使得传感器适用面广，适应性强。

3.采用电磁力控制结构，使得测量过程中测量力可控，避免测量力的变化对针尖的磨损和对被测表面的划伤。

4.采用电磁屏蔽环屏蔽外部环境对电磁线圈磁场的影响，加强电磁力控制系统对测量力的控制精度。

5.采用差分偏振干涉进行一级位移量的测量，测量精度高，提高了传感器的稳定性和抗干扰能力。

6.依靠光学固定方式搭建的差动偏振干涉器结构，能够实现干涉仪中的各个光学元件相对永久固定，使各个光学元件在物理上结为一体，提高了干涉仪的稳定性和可靠性，特别是抗振性能和温度稳定性能。

7.不需要外加调制信号，主要通过偏振分光的方法将单频激光分为两束，一束为测量光，另一束为参考光，这样可在技术上免除了外加信号源，避免误差，也可比较方便地处理干涉信号，获得精确的结果。

8.参考光和测量光在同一个光路中，使得外界环境对两束光的影响基本一致，消除了外界环境对参考光和测量光的影响不同所造成的误差。

附图说明

图1是本发明提供的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器的结构示意图；

图2是图1中的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器的差分偏振干涉器的示意图；

图3是图1中的基于差动偏振干涉的音圈电机及悬浮触针机构的剖视图；

图4是图3中的悬浮触针机构的结构示意图；

图5是图1中的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器进行二级位移测量的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-差分偏振干涉器，2-音圈电机，3-悬浮触针机构，14-第一波片，15-第二波片，16-第三波片，17-第四波片，18-第一偏振分光镜，19-第二偏振分光镜，110-第三偏振分光镜，111-第四偏振分光镜，112-第五偏振分光镜，113-第六偏振分光镜，115-第一偏振片，116-第四平面反射镜，117-第五平面反射镜，118-单频激光器，119-光电探测器，21-音圈电机定子，22-音圈电机动子，23-音圈电机动子线圈，24-限位块，25-音圈电机磁铁，31-第一平面反射镜，32-第二平面反射镜，33-第三平面反射镜，34-悬浮触针轴，341-上触针轴，342-下触针轴，35-悬浮轴承，36-电磁屏蔽环，37-电磁线圈，38-磁铁，39-触针。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器，所述位移传感器包括差分偏振干涉器1、音圈电机2及悬浮触针机构3，所述差分偏振干涉器1、所述音圈电机2及所述悬浮触针机构3自上而下设置。所述悬浮触针机构3连接于所述音圈电机2远离所述差分偏振干涉器1的一端。

所述差分偏振干涉器1包括第一波片14、第二波片15、第三波片16、第四波片17、第一偏振分光镜18、第二偏振分光镜19、第三偏振分光镜110、第四偏振分光镜111、第五偏振分光镜112、第六偏振分光镜113、第一偏振片115、第四平面反射镜116、第五平面反射镜117、单频激光器118及光电探测器119。本实施方式中，所述第一波片14、所述第二波片15、所述第三波片16及所述第四波片17均是1/4波片。

所述单频激光器118、所述第一偏振分光镜18、所述第二偏振分光镜19及所述第一波片14自上而下沿第一竖直方向间隔设置。所述第四平面反射镜116、所述第三偏振分光镜110、所述第二波片15自上而下沿第二竖直方向间隔设置。所述第五平面反射镜117、所述第四偏振分光镜111、所述第三波片16自上而下沿第三竖直方向间隔设置。所述光电探测器119、所述第一偏振片115、所述第五偏振分光镜112、所述第六偏振分光镜113、所述第四波片17自上而下沿第四竖直方向间隔设置。所述第一竖直方向、所述第二竖直方向、所述第三竖直方向及所述第四竖直方向自左向右依次间隔设置。

请参阅图3及图4，所述音圈电机2包括音圈电机定子21、音圈电机动子22、音圈电机动子线圈23、限位块24及音圈电机磁铁25，所述音圈电机定子21呈圆柱状，其朝向所述悬浮触针机构3的一端开设有环形槽，所述音圈电机定子21还开设有通孔，所述通孔的中心轴与所述环形槽的中心轴重合。所述音圈电机动子22的一端开设有第一凹槽，所述第一凹槽的底面开设有通槽。所述音圈电机动子22开设有所述第一凹槽的一端部分地收容在所述环形槽内，所述音圈电机动子线圈23及所述音圈电机磁铁25均收容在所述环形槽内，且所述音圈电机动子线圈23位于所述音圈电机动子22与所述音圈电机磁铁25之间。其中，所述音圈电机动子22与所述悬浮触针机构3相连接。

所述悬浮触针机构3包括第一平面反射镜31、第二平面反射镜32、第三平面反射镜33、悬浮触针轴34、悬浮轴承35、电磁屏蔽环36、电磁线圈37、磁铁38及触针39。其中，所述悬浮轴承35为气浮轴承或者磁悬浮轴承。

所述触针轴34为上下分离结构，其包括上触针轴341及下触针轴342，所述上触针轴341与所述下触针轴342之间通过粘接或者紧配合连接在一起。所述上触针轴341为空心结构，以减轻所述触针轴34的整体重量。所述磁铁38安装在所述上触针轴341与所述下触针轴342之间。所述触针39连接于所述下触针轴342远离所述上触针轴341的一端，且所述触针39的中心轴与所述下触针轴342的中心轴重合。

所述悬浮轴承35呈阶梯状，其连接于所述音圈电机动子22。所述上触针轴341的一端依次穿过所述悬浮轴承35及所述通槽后伸入所述第一凹槽。所述电磁屏蔽环36连接于所述悬浮轴承35的下端。所述电磁线圈37安装在所述电磁屏蔽环36内部，且所述电磁屏蔽环36内部的上下两端各安装一个所述电磁线圈37。

本实施方式中，所述限位块24设置于所述悬浮轴承35的外侧，其用于限制所述悬浮触针机构3的移动，以防止所述音圈电机线圈23未通电时所述悬浮触针机构3下落。

对两组所述电磁线圈37通入电流，使得所述磁铁38保持在两组电磁线圈37之间。所述电磁屏蔽环36设置在所述音圈电机定子21和所述电磁线圈37之间，其用于对所述音圈电机动子22上产生的磁场和所述电磁线圈37产生的磁场进行屏蔽，以防止磁场相互干扰。

本实施方式中，所述第一平面反射镜31设置在所述上触针轴341收容于所述第一凹槽内的一端上，所述第二平面反射镜32及所述第三平面反射镜33分别设置在所述悬浮轴承35上且位于所述通槽内；所述第二平面反射镜32及所述第三平面反射镜33相对于所述第一平面反射镜31对称设置；所述第一波片14及所述第四波片17分别与所述第二平面反射镜32及所述第三平面反射镜33相对设置；所述第二波片15及所述第三波片16分别与所述第一平面反射镜31相对设置。

其中，所述第一偏振分光镜18、所述第二偏振分光镜19、所述第三偏振分光镜110、所述第四偏振分光镜111、所述第五偏振分光镜112及所述第六偏振分光镜113为六个性能完全一致的偏振分光镜；所述第一波片14、所述第二波片15、所述第三波片16及所述第四波片17为四个性能完全一致的1/4波片。

本发明还提供了一种基于差动偏振干涉的检测方法，所述检测方法是采用如上所述的基于差动偏振干涉的悬浮触针位移传感器进行的。测量时，所述单频激光器18发出的光经过所述第一偏振分光镜18后将被分成偏振方向正交的两束光：P光透射，S光反射。

P光依次经过所述第二偏振分光镜19及所述第一波片14后被所述第二平面反射镜32反射后再次通过所述第一波片14，之后依次被所述第二偏振分光镜19及所述第六偏振分光镜113反射，再依次通过所述第四波片17并被所述第三平面反射镜33反射后再次通过所述第四波片17，接着依次通过所述第六偏振分光镜113及所述第五偏振分光镜33，由此得到参考光。

S光经所述第三偏振分光镜110反射后依次通过所述第二波片15再被所述第一平面反射镜31反射，之后依次通过所述第二波片15及所述第三偏振分光镜110后被所述第四平面反射镜116和所述第五平面反射镜117反射，再通过所述第四偏振分光镜111及所述第三波片16后经所述第一平面反射镜31反射，之后通过所述第三波片16后依次被所述第四偏振分光镜111及所述第五偏振分光镜112反射，由此得到测量光。

参考光和测量光经过所述第一偏振片115后产生干涉，并被所述光电探测器119接收。当所述触针39在进行表面粗糙度测量时会带动所述悬浮触针轴34及其上端的第一平面反射镜31产生上下位移，如此会使得参考光和测量光之间的光程差改变，形成干涉条纹，经所述光电探测器119检测可以得到所述悬浮触针轴34相对所述悬浮轴承35的一级位移量。

请参阅图5，一级位移量计算过程如下：

1)第一平面反射镜31固定在触针轴34的上端，第二平面反射镜32和第三平面反射镜33固定在触针轴34的上端，水平高度相同。第一平面镜31与第三平面镜33垂直方向初始高度差为L。当第一平面镜31移动位移ΔL时，测量光光程改变4ΔL，参考光光程不变。则对应测量光相位变化

2)两束偏振方向正交的光经过第一偏振片14后偏振方向相同，频率相同，具有固定的相位差，将会发生干涉。干涉信号可以表示为：

其中，I为合成光的光强，I

当第一平面反射镜31移动位移ΔL时，

第一平面反射镜31移动位移ΔL和测量光相位变化

第一平面反射镜31移动位移ΔL即为一级位移量。

通过对干涉信号中的相位进行解调，可以反推出对应的位移改变量。现有PGC相位解调技术一般能达到的相位解调精度为0.1°，则传感器的理论分辨率为

音圈电机动子22带动悬浮触针机构3作垂直位移，通过激光干涉仪或高精度光栅位移计量系统，测量音圈电机动子22相对于音圈电机定子21的位移得到二级位移量；

如图5所示，触针轴34上端安装的第一平面反射镜31上表面的测量点为A，差分偏振干涉器1测量所处的坐标系为O

ΔZ

其中，ΔZ'

二级位移ΔZ2为：

ΔZ

其中，ΔZ'

触针运动过程中总位移为

ΔZ＝ΔZ

通过对偏振差分干涉器3的测量值和音圈电机2位移的测量值进行结合，即可得到触针位移的测量值。

由式(3)可知，位移测量误差由两部分组成：

1.偏振差分干涉器3测量误差Δδ

2.音圈电机2位移测量误差Δδ

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。