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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法
本专利技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本专利技术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。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：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。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。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。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。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1～80KHz，NT切型对应频率范围40～100KHz；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。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：其中f为双端音叉的基频，S为其力频系数，l、w、t分别为两个叉臂的长度、宽度、厚度，m为与边比有关的系数，ρ为石英材料的密度，s′22为石英的弹性柔顺常数。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。一种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。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。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。本专利技术利用石英晶体的压电效应、双端音叉的结构对称性和高品质因数特性、谐振状态物体对微小外力的高敏感特性，制备石英晶体材料的双端音叉，与一体式光纤微探球结合，构建三维谐振触发探头系统。通过叉臂四周设置电极激励测头达到谐振状态，在Z向以轻敲模式与试样表面轻触，在X、Y向以摩擦模式与试样表面接触。通过检测双端音叉的谐振信号(谐振频率或谐振相位)的变化表征一体式光纤微探球与试样表面的碰触程度，实现三维谐振触发定位，并最终对试样实现真三维测量。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术采用双端音叉同时作为简支梁和微力传感器，并将一体式光纤微探球固定设置于双端音叉下叉臂的正中间下方，避免了结构不对称造成的能量泄露、品质因数降低等问题，保证了结构的对称性、系统稳定性及紧凑性。2、本专利技术采用的双端音叉，其谐振频率与自身几何尺寸相关，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，使测头系统可满足可能的应用场合特定频率要求，具有灵活性。3、本专利技术的测量方法是采用叉臂四周被电极方式设置电极，激励双端音叉两个叉臂沿宽度方向反相弯曲振动，两个叉臂在它们的合并区域产生的应力和力矩方向相反,互相抵消,因此整个结构通过固定连接端与外界的能量耦合小,振动系统的能量损失小,具有较高的品质因数，保证了测头系统在谐振状态下对微小外力的高灵敏性，即保证了三维方向上的高触发定位分辨率，最终实现对试样的高分辨率真三维测量。且这种谐振结构自身具有减振特性,不需要额外设置隔振结构。4、本专利技术采用检测谐振状态测头与试样表面轻触过程双端音叉的谐振信号(谐振频率或谐振相位)的变化作为反馈量，省去了A/D转换环节，后续信号处理部分大大简化，使测头系统功能具有易实现性。5、本专利技术测头系统工作于谐振状态，对微小外力极为敏感，且在Z向以轻敲模式与试样表面轻触，在X、Y向以摩擦模式与试样表面接触。根据相关预研部分实验，在三维方向上的测量力均低至纳牛量级，可实现对柔软材料的低破坏性测量。6、本专利技术采用基于光纤拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备的一体式光纤微探球，球头直径大大减小，且具备高质量几何参数。可实现对微内孔试样内壁的高精度真三维测量。7、本专利技术采用的双端音叉理论上具有基频、二次泛音、三次泛音振动模态，其中二次泛音振动模态下，采用本专利技术设计的结构，此时一体式光纤微探球处于二次振型的零位移点，可用于特定场合实现接触式测量。附图说明图1为本专利技术整个系统结构工作示意图，其中：图1a为本专利技术整个系统结构Z向工作示意图，图1b为本专利技术整个系统结构X向工作示意图，图1c为本专利技术整个系统结构Y向工作示意图。图2为本专利技术双端音叉石英晶片切型方位示意图。图3为本专利技术双端音叉外观示意图。图4为本专利技术双端音叉基频谐振振动模态示意图。图5为本专利技术测头系统谐振状态频率及与试样轻触时频率偏移示意图。图6为本专利技术双端音叉二次泛音振动模态示意图。具体实施方式如图1所示，双端音叉三维谐振触发探头系统，包括有支承架1，支承架1底部架面连接有两个完全相同位置对称的转接件2，还包括有双端音叉3，双端音叉3由两个叉端31和连接两个叉端31的叉臂对构成，双端音叉3的两个叉端31一一对应连接在转接件2底面，叉臂对中两个叉臂32分别平行于支承架1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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；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；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，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；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1~80KHz，NT切型对应频率范围40~100KHz；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(zyx)5º切型切角结构；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：余惠娟，黄强先，袁钰，赵晓萌，卞亚魁，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34