[发明专利]基于PVDF的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以应用在各种高精度、微测量力的软材料、微型机械零件、微器件、超精密光学器件等三维形貌测量领域中的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法。

背景技术

近年来，纳米定位技术的发展使超精加工和超微加工进入了纳米技术的新时代，使对微小位移量和微小物体的测量达到了纳米、亚纳米量级，对微纳米三坐标测量机(CMM)尤其微纳米测头提出高精度、低测量力等更高要求，目前还没有成熟的技术可以满足需求。

现有微纳米CMM测头一般有接触式测头和非接触式测头。接触式测头是测头与试样直接接触，通过采集处理试样表面轮廓点三维坐标得出三维形貌信息；非接触式测头一般是根据光学原理，配以光路设计来获取表面形貌数据。接触式测头可靠性好、精度高，但测头与试样表面接触时产生的测力可能引起弹性甚至塑性形变，尤其不能测量柔软材料。非接触式测头避免了接触测力的影响，测量速度和采样频率高，但受物表特性影响较大，不能达到接触式测头的分辨率和不确定度。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于PVDF的三维谐振触发测头及三维谐振触发定位方法，利用PVDF的压电特性、高谐振特性和对微小力的高敏感性，与一体式微测杆测头相结合，构成微测力三维谐振触发测头，用于实现对软材料、微器件、超精密光学器件等高精度、低测量力的三维谐振触发测量和定位。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案：

本发明基于PVDF的三维谐振触发测头的结构特点是：采用PVDF压电薄膜作为具有简支梁结构的振动梁，将所述PVDF压电薄膜的左右两端分别固定在两个相同结构的压电驱动器的外侧，所述两个相同结构的压电驱动器的内侧对称固定设置在T型测头架的两侧，在所述PVDF压电薄膜的下表面的中央位置处固定设置一体式微测杆测头；

以正弦交流信号施加于所述压电驱动器上作为励振信号，驱动所述PVDF压电薄膜带动一体式微测杆测头工作于谐振状态；

设置由所述PVDF压电薄膜所带动的一体式微测杆测头在试样的表面进行Z方向的测试为轻敲模式；设置由所述PVDF压电薄膜所带动的一体式微测杆测头在试样的侧部进行X方向和Y方向的测试为摩擦模式；检测PVDF压电薄膜的极化表面差动电荷信号的变化用以表征所述一体式微测杆测头与试样的触碰程度。

本发明基于PVDF的三维谐振触发测头的三维谐振触发定位方法的特点是以所述三维谐振触发测头保持不动，以试样在水平面内的平移完成三维谐振触发测头在试样表面的三维触发定位；或试样保持不动，以三维谐振触发测头在水平面内的平移完成其在试样表面的三维触发定位。

本发明利用PVDF薄膜的压电特性、高谐振特性和对微小力的高敏感性，与一体式微测杆测头结合构建PVDF振动梁式微测头系统，通过驱动信号驱动测头达到谐振状态，由信号处理电路检测处理PVDF压电薄膜极化表面产生的电信号并与设定电压值比较实现振幅反馈，实现三维谐振触发测头的测量与三维谐振触发定位。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用PVDF压电薄膜同时作为简支梁和微力传感器，采用一体式微测杆测球构成振动梁式三维测头，可对多种微型器件实现高精度三维形貌测量。

2、本发明振动梁式三维测头工作于谐振状态，一体式微测杆测头与试样以数百nN级微测力轻敲模式或摩擦模式扫描，可实现对柔软材料进行低破坏性微小力测量。

3、本发明经实验验证，在X、Y、Z三个方向均能达到亚纳米量级分辨率，其中X方向上的系统测量分辨率约为0.22nm；Y方向上系统测量分辨率约为0.29nm；Z方向上系统垂直分辨率约为0.26nm。

附图说明

图1a是本发明PVDF三维谐振测头在Z向上工作示意图；

图1b是本发明PVDF三维谐振测头在X、Y向上工作示意图；

图2a是本发明测头PVDF压电薄膜的幅频图；

图2b是本发明测头PVDF压电薄膜与微测杆测球组合后的幅频图；

图3a是本发明中PVDF测头在Z方向自由振动示意图；

图3b是本发明中PVDF测头在Z方向自由振动波形图；

图4a是本发明中Z方向微测杆测球轻触试样时PVDF测头振动示意图；

图4b是本发明中Z方向微测杆测球轻触试样时PVDF测头振动波形图；

图5a是本发明中PVDF测头在X、Y向自由振动示意图；

图5b是本发明中PVDF测头自由振动波形图；

图6a是本发明中X、Y方向微测杆测球摩擦试样时PVDF测头振动示意图；