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双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法，由支承架、转接件、双端音叉和光纤微探球构成。支承架用于固定整个测头机构。转接件分别固定于支承架下方的两端，用于连接支承架及双端音叉。双端音叉同时作为悬臂梁和微力传感器，其下叉臂正中间下方固定设置一体式光纤微探球。本发明方法设置双端音叉带动的一体式光纤微探球在Z方向上与试样以轻敲模式接触，在X、Y方向上与试样以摩擦模式接触，检测双端音叉谐振信号的变化作为反馈量表征一体式光纤微探球与试样表面的碰触程度，实现对试样的真三维测量。本发明可实现对柔软材料等的精确触发定位和低破坏性测量，并可用于对微内孔试样内壁的高精度真三维测量。
【专利说明】双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳米测头领域，具体是一种双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法。
【背景技术】
[0002]纳米测量技术是纳米科学技术的基础学科之一，超精加工和超微加工进入纳米技术的新时代，对微型光学器件、MEMS等微纳米结构的真三维测量要求达到纳米、亚纳米量级，测量力达到微牛甚至纳牛量级，但目前商用CMM测量精度不高，且所用三维测头的微探球直径较大，无法探测特征尺寸很小的微型器件。三维触发定位技术作为微纳三维测量技术的核心，纳米量级的三维触发定位分辨率是实现微器件等真三维纳米测量的基础。高分辨率对应于高灵敏度，即要求微纳米测头系统应具有较高品质因数，同时测头系统的稳定性，包括结构稳定性和测量过程稳定性，是实现有效测量的必要因素。
[0003]鉴于在数百微米至数毫米尺度间三维测量技术的空白，近年来国内外一些著名研究机构都致力于微纳米三维测量技术及微纳米三维测头的开发，取得了一定进展，目前还没有成熟的技术。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是提供一种双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法，以解决现有技术三维测量存在的问题。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0006]双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:包括有支承架，支承架底部架面连接有两个完全相同位置对称的转接件，还包括有双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的两个叉端一一对应连接在转接件底面，叉臂对中两个叉臂分别平行于支承架底部架面并沿竖向并行设置，叉臂对中位于下方的叉臂正中间底面固定有一体式光纤微探球。
[0007]所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:所述双端音叉的叉臂对上设置有电极，通过电极激励双端音叉带动光纤微探球谐振。
[0008]所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:光纤微探球基于光纤拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备而成。
[0009]所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉的振动方式为，在电极的激励下两个叉臂在平面内沿宽度方向反相弯曲振动。
[0010]所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围I?80KHZ，NT切型对应频率范围40?IOOKHz ;所述双端音叉叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体X方向，厚度沿石英晶体z轴方向，即采用(zyw)5°切型切角结构。
[0011]所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为:
【权利要求】
1.双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:包括有支承架，支承架底部架面连接有两个完全相同位置对称的转接件，还包括有双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的两个叉端一一对应连接在转接件底面，叉臂对中两个叉臂分别平行于支承架底部架面并沿竖向并行设置，叉臂对中位于下方的叉臂正中间底面固定有一体式光纤微探球。
2.根据权利要求1所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:所述双端音叉的叉臂对上设置有电极，通过电极激励双端音叉带动光纤微探球谐振。
3.根据权利要求1所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:光纤微探球基于光纤拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备而成。
4.根据权利要求1所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉的振动方式为，在电极的激励下两个叉臂在平面内沿宽度方向反相弯曲振动。
5.根据权利要求1所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围I~80KHz，NT切型对应频率范围40~IOOKHz ;所述双端音叉叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体X方向，厚度沿石英晶体z轴方向，即采用(zyw)5°切型切角结构。
6.根据权利要求1所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为:

7.根据权利要求1所述的双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于:双端音叉两个叉臂上电极的设置采用叉臂四周被电极方式，使沿两个叉臂宽度方向产生两个大小相等、方向相反的电场。
8.一种基于权利要求1所述双端音叉三维谐振触发探头系统的真三维测量方法，其特征在于:通过叉臂四周被电极方式设置电极，激励双端音叉两个叉臂平面内沿宽度方向反相弯曲振动，带动一体式光纤微探球面内谐振；设置所述双端音叉带动的一体式光纤微探球在竖直Z方向上与试样以轻敲模式接触，在水平面内X、Y方向上与试样以摩擦模式接触；检测双端音叉谐振信号的变化以表征所述光纤微探球与试样表面的碰触程度。
9.根据权利要求8所述的真三维测量方法，其特征在于:所述双端音叉对轴向力极为敏感，故双端音叉三维谐振触发探头系统在X向具有更高触发灵敏度。
10.根据权利要求8所述的真三维测量方法，其特征在于:所述谐振信号为双端音叉的谐振频率或谐振相位。
【文档编号】G01B7/28GK104019736SQ201410261860
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】余惠娟, 黄强先, 袁钰, 赵晓萌, 卞亚魁 申请人:合肥工业大学