專利名稱：基于pvdf的三維諧振觸發測頭及三維諧振觸發定位方法
技術領域：
本發明涉及一種可以應用在各種高精度、微測量力的軟材料、微型機械零件、微器件、超精密光學器件等三維形貌測量領域中的三維諧振觸發測頭及三維諧振觸發定位方法。
背景技術：
近年來，納米定位技術的發展使超精加工和超微加工進入了納米技術的新時代， 使對微小位移量和微小物體的測量達到了納米、亞納米量級，對微納米三坐標測量機(CMM) 尤其微納米測頭提出高精度、低測量力等更高要求，目前還沒有成熟的技術可以滿足需求。
現有微納米CMM測頭一般有接觸式測頭和非接觸式測頭。接觸式測頭是測頭與試樣直接接觸，通過采集處理試樣表面輪廓點三維坐標得出三維形貌信息；非接觸式測頭一般是根據光學原理，配以光路設計來獲取表面形貌數據。接觸式測頭可靠性好、精度高，但測頭與試樣表面接觸時產生的測力可能引起彈性甚至塑性形變，尤其不能測量柔軟材料。 非接觸式測頭避免了接觸測力的影響，測量速度和采樣頻率高，但受物表特性影響較大，不能達到接觸式測頭的分辨率和不確定度。發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種基于PVDF的三維諧振觸發測頭及三維諧振觸發定位方法，利用PVDF的壓電特性、高諧振特性和對微小力的高敏感性，與一體式微測桿測頭相結合，構成微測力三維諧振觸發測頭，用于實現對軟材料、 微器件、超精密光學器件等高精度、低測量力的三維諧振觸發測量和定位。
本發明為解決技術問題采用以下技術方案
本發明基于PVDF的三維諧振觸發測頭的結構特點是采用PVDF壓電薄膜作為具有簡支梁結構的振動梁，將所述PVDF壓電薄膜的左右兩端分別固定在兩個相同結構的壓電驅動器的外側，所述兩個相同結構的壓電驅動器的內側對稱固定設置在T型測頭架的兩側，在所述PVDF壓電薄膜的下表面的中央位置處固定設置一體式微測桿測頭；
以正弦交流信號施加于所述壓電驅動器上作為勵振信號，驅動所述PVDF壓電薄膜帶動一體式微測桿測頭工作于諧振狀態；
設置由所述PVDF壓電薄膜所帶動的一體式微測桿測頭在試樣的表面進行Z方向的測試為輕敲模式；設置由所述PVDF壓電薄膜所帶動的一體式微測桿測頭在試樣的側部進行X方向和Y方向的測試為摩擦模式；檢測PVDF壓電薄膜的極化表面差動電荷信號的變化用以表征所述一體式微測桿測頭與試樣的觸碰程度。
本發明基于PVDF的三維諧振觸發測頭的三維諧振觸發定位方法的特點是以所述三維諧振觸發測頭保持不動，以試樣在水平面內的平移完成三維諧振觸發測頭在試樣表面的三維觸發定位；或試樣保持不動，以三維諧振觸發測頭在水平面內的平移完成其在試樣表面的三維觸發定位。
本發明利用PVDF薄膜的壓電特性、高諧振特性和對微小力的高敏感性，與一體式微測桿測頭結合構建PVDF振動梁式微測頭系統，通過驅動信號驅動測頭達到諧振狀態，由信號處理電路檢測處理PVDF壓電薄膜極化表面產生的電信號并與設定電壓值比較實現振幅反饋，實現三維諧振觸發測頭的測量與三維諧振觸發定位。與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明采用PVDF壓電薄膜同時作為簡支梁和微力傳感器，采用一體式微測桿測球構成振動梁式三維測頭，可對多種微型器件實現高精度三維形貌測量。2、本發明振動梁式三維測頭工作于諧振狀態，一體式微測桿測頭與試樣以數百nN 級微測力輕敲模式或摩擦模式掃描，可實現對柔軟材料進行低破壞性微小力測量。3、本發明經實驗驗證，在X、Y、Z三個方向均能達到亞納米量級分辨率，其中X方向上的系統測量分辨率約為0. 22nm ；Y方向上系統測量分辨率約為0. 29nm ；Z方向上系統垂直分辨率約為0. ^nm。
圖Ia是本發明PVDF三維諧振測頭在Z向上工作示意圖；圖Ib是本發明PVDF三維諧振測頭在X、Y向上工作示意圖；圖加是本發明測頭PVDF壓電薄膜的幅頻圖；圖2b是本發明測頭PVDF壓電薄膜與微測桿測球組合后的幅頻圖；圖3a是本發明中PVDF測頭在Z方向自由振動示意圖；圖北是本發明中PVDF測頭在Z方向自由振動波形圖；圖如是本發明中Z方向微測桿測球輕觸試樣時PVDF測頭振動示意圖；圖4b是本發明中Z方向微測桿測球輕觸試樣時PVDF測頭振動波形圖；圖fe是本發明中PVDF測頭在X、Y向自由振動示意圖；圖恥是本發明中PVDF測頭自由振動波形圖；圖6a是本發明中X、Y方向微測桿測球摩擦試樣時PVDF測頭振動示意圖；圖6b是本發明中X、Y方向微測桿測球摩擦試樣時PVDF測頭振動波形圖；圖7a是本發明中X方向力曲線實驗結果；圖7b是本發明中Y方向力曲線實驗結果；圖7c是本發明中Z方向力曲線實驗結果；圖中標號1為PVDF壓電薄膜；2為壓電驅動器；3為T型測頭架；4為一體式微測桿測頭；5試樣；6正弦交流信號；7差動電荷信號。
具體實施例方式本實施例中基于PVDF的三維諧振觸發測頭的結構形式是如圖Ia和圖Ib所示，采用PVDF壓電薄膜1作為具有簡支梁結構的振動梁，同時也是作為微力傳感器，將PVDF壓電薄膜1的左右兩端分別固定在兩個相同結構的PZT壓電驅動器2的外側，兩個相同結構的壓電驅動器2的內側對稱固定設置在T型測頭架3的兩側，在PVDF壓電薄膜1的下表面的中央位置處固定設置一體式微測桿測頭4，試樣5呈水平放置。
以正弦交流信號施加于壓電驅動器2上作為勵振信號，驅動PVDF壓電薄膜1帶動一體式微測桿測頭4工作于諧振狀態；設置由PVDF壓電薄膜1所帶動的一體式微測桿測頭4在試樣5的表面進行Z方向的測試為輕敲模式；設置由PVDF壓電薄膜1所帶動的一體式微測桿測頭4在試樣5的側部進行X方向和Y方向的測試為摩擦模式；設置信號處理電路用于檢測并處理PVDF壓電薄膜1的極化表面差動電荷信號的變化，用以表征一體式微測桿測頭4與試樣5的觸碰程度。測量方法水平放置試樣5，以正弦交流信號6激勵壓電驅動器2，使PVDF壓電薄膜1與一體式微測桿測頭4構成的測頭系統達到諧振狀態，以恒定振幅自由振動，PVDF壓電薄膜1表面產生極化電荷信號；同時將PVDF壓電薄膜1作為微力傳感器，當一體式微測桿測頭4在Z 向以輕敲模式或在X、Y向以摩擦模式與試樣5的表面接觸時，由于能量泄露，導致PVDF壓電薄膜1測頭系統振幅減小，表面電荷量衰減，通過檢測處理放大該差動電荷信號7并與設定電壓信號比較輸出壓差信號，結合控制系統實現振幅反饋控制，即實現測頭系統在X、Y、Z 三方向的諧振觸發測量與定位，并得到相應的力曲線圖形。本實施例中，基于PVDF的三維諧振觸發測頭的三維諧振觸發定位方法是以三維諧振觸發測頭保持不動，以試樣5在水平面內的平移完成三維諧振觸發測頭在試樣表面的三維觸發定位；或試樣5保持不動，以三維諧振觸發測頭在水平面內的平移完成其在試樣表面的三維觸發定位。圖加所示為PVDF壓電薄膜未加裝一體式微測桿測頭時的幅頻圖，諧振頻率約為 3470Hz，其所對應的前放電壓信號幅值為0. 79V，品質因數Q約為45 ；圖2b所示為PVDF壓電薄膜與一體式微測桿測頭結合后的幅頻圖，其諧振頻率為M06Hz，諧振峰值為2. 6V，其品質因數Q約為四。圖3a為Z方向PVDF三維諧振觸發測頭自由振動示意圖，圖北為Z方向PVDF三維諧振觸發測頭自由振動波形圖，圖北中橫坐標t表示時間，縱坐標A表示測頭系統諧振幅值。一體式微測桿測頭與試樣不接觸時，測頭系統以較大振幅A0處于自由諧振狀態，如圖3a和圖北所示；由于諧振狀態PVDF壓電薄膜測頭系統對微力的高敏感性，當一體式微測桿測頭不斷逼近試樣表面至輕敲模式接觸時，能量泄露導致測頭系統振幅衰減至A1,如圖如圖4b所示。同理，圖fe和圖恥所示分別為PVDF三維諧振觸發測頭在X、Y向自由振動示意圖及自由振動波形圖，圖6a為三維諧振觸發測頭在X、Y方向以摩擦模式接觸試樣的示意圖， 圖6b為該摩擦模式下測頭系統振動波形圖。本發明三維諧振觸發測頭具有亞納米量級的空間分辨率，通過實驗測試，在X方向上系統噪聲水平約6mV，靈敏度可以達到27. 7V/ μ m,系統垂直分辨率0. 22nm,如圖7a所示。在Y方向上系統噪聲水平約9mV，靈敏度可以達到31. IV/μ m，系統垂直分辨率0. 29nm, 如圖7b所示。在Z方向上系統噪聲水平約9mV，靈敏度可以達到35V/ μ m,系統垂直分辨率 0. 26nm，如圖7c所示。
權利要求
1.一種基于PVDF的三維諧振觸發測頭，其特征是采用PVDF壓電薄膜(1)作為具有簡支梁結構的振動梁，將所述PVDF壓電薄膜(1)的左右兩端分別固定在兩個相同結構的壓電驅動器O)的外側，所述兩個相同結構的壓電驅動器O)的內側對稱固定設置在T型測頭架C3)的兩側，在所述PVDF壓電薄膜(1)的下表面的中央位置處固定設置一體式微測桿測頭⑷；以正弦交流信號施加于所述壓電驅動器(2)上作為勵振信號，驅動所述PVDF壓電薄膜 (1)帶動一體式微測桿測頭(4)工作于諧振狀態；設置由所述PVDF壓電薄膜⑴所帶動的一體式微測桿測頭⑷在試樣(5)的表面進行Z方向的測試為輕敲模式；設置由所述PVDF壓電薄膜(1)所帶動的一體式微測桿測頭 ⑷在試樣(5)的側部進行X方向和Y方向的測試為摩擦模式；檢測PVDF壓電薄膜⑴的極化表面差動電荷信號的變化用以表征所述一體式微測桿測頭(4)與試樣的觸碰程度。
2.—種權利要求1所述基于PVDF的三維諧振觸發測頭的三維諧振觸發定位方法，其特征是以所述三維諧振觸發測頭保持不動，以試樣( 在水平面內的平移完成三維諧振觸發測頭在試樣表面的三維觸發定位；或試樣( 保持不動，以三維諧振觸發測頭在水平面內的平移完成其在試樣表面的三維觸發定位。
全文摘要
本發明公開了一種基于PVDF的三維諧振觸發測頭及三維諧振觸發定位方法，其特征是采用PVDF壓電薄膜作為具有簡支梁結構的振動梁，將壓電薄膜左右兩端分別固定在兩個相同結構的壓電驅動器的外側，壓電驅動器的內側對稱固定設置在T型測頭架的兩側，在壓電薄膜的下表面的中央位置處固定設置一體式微測桿測頭；以正弦交流信號施加于壓電驅動器上作為勵振信號，驅動壓電薄膜帶動一體式微測桿測頭工作于諧振狀態；設置由壓電薄膜所帶動的一體式微測桿測頭在試樣的表面進行Z向測試為輕敲模式；在試樣側部進行X向和Y向測試為摩擦模式；檢測PVDF壓電薄膜的極化表面差動電荷信號的變化用以表征一體式微測桿測頭與試樣的觸碰程度。本發明可應用于各種高精度、微測量力的軟材料、微器件、超精密光學器件等三維形貌測量。
文檔編號G01B7/28GK102538657SQ20111045707
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者余惠娟, 宮二敏, 李志渤, 魏晉鵬, 黃帥, 黃強先 申請人:合肥工業大學