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雙端音叉三維諧振觸發探頭系統及其真三維測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙端音叉三維諧振觸發探頭系統及其真三維測量方法，由支承架、轉接件、雙端音叉和光纖微探球構成。支承架用于固定整個測頭機構。轉接件分別固定于支承架下方的兩端，用于連接支承架及雙端音叉。雙端音叉同時作為懸臂梁和微力傳感器，其下叉臂正中間下方固定設置一體式光纖微探球。本發明方法設置雙端音叉帶動的一體式光纖微探球在Z方向上與試樣以輕敲模式接觸，在X、Y方向上與試樣以摩擦模式接觸，檢測雙端音叉諧振信號的變化作為反饋量表征一體式光纖微探球與試樣表面的碰觸程度，實現對試樣的真三維測量。本發明可實現對柔軟材料等的精確觸發定位和低破壞性測量，并可用于對微內孔試樣內壁的高精度真三維測量。
【專利說明】雙端音叉三維諧振觸發探頭系統及其真三維測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微納米測頭領域，具體是一種雙端音叉三維諧振觸發探頭系統及其真三維測量方法。
【背景技術】
[0002]納米測量技術是納米科學技術的基礎學科之一，超精加工和超微加工進入納米技術的新時代，對微型光學器件、MEMS等微納米結構的真三維測量要求達到納米、亞納米量級，測量力達到微牛甚至納牛量級，但目前商用CMM測量精度不高，且所用三維測頭的微探球直徑較大，無法探測特征尺寸很小的微型器件。三維觸發定位技術作為微納三維測量技術的核心，納米量級的三維觸發定位分辨率是實現微器件等真三維納米測量的基礎。高分辨率對應于高靈敏度，即要求微納米測頭系統應具有較高品質因數，同時測頭系統的穩定性，包括結構穩定性和測量過程穩定性，是實現有效測量的必要因素。
[0003]鑒于在數百微米至數毫米尺度間三維測量技術的空白，近年來國內外一些著名研究機構都致力于微納米三維測量技術及微納米三維測頭的開發，取得了一定進展，目前還沒有成熟的技術。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種雙端音叉三維諧振觸發探頭系統及其真三維測量方法，以解決現有技術三維測量存在的問題。
[0005]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:
[0006]雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:包括有支承架，支承架底部架面連接有兩個完全相同位置對稱的轉接件，還包括有雙端音叉，所述雙端音叉由兩個叉端和連接兩個叉端的叉臂對構成，雙端音叉的兩個叉端一一對應連接在轉接件底面，叉臂對中兩個叉臂分別平行于支承架底部架面并沿豎向并行設置，叉臂對中位于下方的叉臂正中間底面固定有一體式光纖微探球。
[0007]所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對上設置有電極，通過電極激勵雙端音叉帶動光纖微探球諧振。
[0008]所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:光纖微探球基于光纖拉錐技術和光纖熔融燒球技術制備而成。
[0009]所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉的振動方式為，在電極的激勵下兩個叉臂在平面內沿寬度方向反相彎曲振動。
[0010]所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動模式及工作頻率相關，彎曲振動模式下XY切型對應頻率范圍I?80KHZ，NT切型對應頻率范圍40?IOOKHz ;所述雙端音叉叉臂長度沿石英晶體y軸方向，寬度沿石英晶體X方向，厚度沿石英晶體z軸方向，即采用(zyw)5°切型切角結構。
[0011]所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關，即可通過改變叉臂的長度、寬度、厚度調節雙端音叉的諧振頻率及力頻系數，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數與其幾何尺寸的相關關系式分別為:
【權利要求】
1.雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:包括有支承架，支承架底部架面連接有兩個完全相同位置對稱的轉接件，還包括有雙端音叉，所述雙端音叉由兩個叉端和連接兩個叉端的叉臂對構成，雙端音叉的兩個叉端一一對應連接在轉接件底面，叉臂對中兩個叉臂分別平行于支承架底部架面并沿豎向并行設置，叉臂對中位于下方的叉臂正中間底面固定有一體式光纖微探球。
2.根據權利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:所述雙端音叉的叉臂對上設置有電極，通過電極激勵雙端音叉帶動光纖微探球諧振。
3.根據權利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:光纖微探球基于光纖拉錐技術和光纖熔融燒球技術制備而成。
4.根據權利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉的振動方式為，在電極的激勵下兩個叉臂在平面內沿寬度方向反相彎曲振動。
5.根據權利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉由石英晶體制備，切型選擇與振動模式及工作頻率相關，彎曲振動模式下XY切型對應頻率范圍I~80KHz，NT切型對應頻率范圍40~IOOKHz ;所述雙端音叉叉臂長度沿石英晶體y軸方向，寬度沿石英晶體X方向，厚度沿石英晶體z軸方向，即采用(zyw)5°切型切角結構。
6.根據權利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉的諧振頻率與其幾何尺寸相關，即可通過改變叉臂的長度、寬度、厚度調節雙端音叉的諧振頻率及力頻系數，所述雙端音叉諧振頻率以及力頻系數與其幾何尺寸的相關關系式分別為:

7.根據權利要求1所述的雙端音叉三維諧振觸發探頭系統，其特征在于:雙端音叉兩個叉臂上電極的設置采用叉臂四周被電極方式，使沿兩個叉臂寬度方向產生兩個大小相等、方向相反的電場。
8.一種基于權利要求1所述雙端音叉三維諧振觸發探頭系統的真三維測量方法，其特征在于:通過叉臂四周被電極方式設置電極，激勵雙端音叉兩個叉臂平面內沿寬度方向反相彎曲振動，帶動一體式光纖微探球面內諧振；設置所述雙端音叉帶動的一體式光纖微探球在豎直Z方向上與試樣以輕敲模式接觸，在水平面內X、Y方向上與試樣以摩擦模式接觸；檢測雙端音叉諧振信號的變化以表征所述光纖微探球與試樣表面的碰觸程度。
9.根據權利要求8所述的真三維測量方法，其特征在于:所述雙端音叉對軸向力極為敏感，故雙端音叉三維諧振觸發探頭系統在X向具有更高觸發靈敏度。
10.根據權利要求8所述的真三維測量方法，其特征在于:所述諧振信號為雙端音叉的諧振頻率或諧振相位。
【文檔編號】G01B7/28GK104019736SQ201410261860
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】余惠娟, 黃強先, 袁鈺, 趙曉萌, 卞亞魁 申請人:合肥工業大學