[发明专利]接触或非接触复合原理纳米传感方法与装置

权利要求书

1.一种接触或非接触复合原理纳米传感方法，其特征在于：所述方法采用接触或非接触复合原理纳米传感装置进行，所述纳米传感装置包括复合原理测头（1）、复合原理信号处理系统（2）、测头姿态调整机构（3）、防撞安全保护机构（4）、测量驱动机构（5）；所述复合原理测头（1）由微测球（6）、信号传输机构（7）、屏蔽机构（8）、装卡机构（9）、信号连接器（10）、绝缘部件（18）、柔性悬挂机构（19）、弹性传递机构（20）、敏感单元（21）和信号线（22）构成，所述微测球（6）与信号传输机构（7）的下端相连接，信号传输机构（7）的上端通过信号线（22）与信号连接器（10）相连，信号传输机构（7）的主体位于屏蔽机构（8）中，屏蔽机构（8）装配在弹性传递机构（20）上，弹性传递机构（20）通过柔性悬挂机构（19）与装卡机构（9）下端连接，在屏蔽机构（8）内配装绝缘部件（18），敏感单元（21）固定在装卡机构（9）内侧上表面上，且与弹性传递机构（20）间留有间隙，信号连接器（10）的一端与敏感单元（21）连接，屏蔽机构（8）、装卡机构（9）和信号连接器（10）的外壳与信号传输电缆（11）的屏蔽层无缝连接；所述复合原理信号处理系统（2）由偏置电场发生系统（12）、复合原理信号检测系统（13）、限流单元（14）、通信电缆（16）和仪器主控计算机（17）构成，所述偏置电场发生系统（12）和复合原理信号检测系统（13）通过通信电缆（16）分别与仪器主控计算机（17）连接；复合原理测头（1）的信号连接器（10）、限流单元（14）、复合原理信号检测系统（13）、偏置电场发生系统（12）、被测件（15）通过信号传输电缆（11）依次串接，构成传感信号检测回路；复合原理测头（1）装配在所述测头姿态调整机构（3）上，所述测头姿态调整机构（3）与所述防撞安全保护机构（4）固定装配，测量驱动机构（5）安装在防撞安全保护机构（4）或被测件（15）上；

所述传感方法包括以下步骤：

① 采用测头姿态调整机构对复合原理测头相对被测件的姿态进行调整，使复合原理测头进入瞄准姿态；再用测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件，在两者之间的相对距离进入工作区间后，测量驱动机构停止驱动；

②A、当被测件为导体时，采用非接触式传感：首先控制测量驱动机构使微测球和被测件的瞄准间隙进入量子隧穿原理的工作区间内，然后采用量子隧穿传感原理进行传感，采用偏置电场发生系统产生偏置电压加载在微测球和被测件之间形成偏置电场，尔后通过对偏置电场的调整和控制，使微测球和被测件之间发生三维量子隧穿效应，将微测球与被测件之间的瞄准间隙转化为传感信号，采用复合原理信号检测系统对该信号进行检测和处理，根据瞄准间隙和传感信号之间对应关系的模型，以纳米分辨力提取微测球和被测件之间的瞄准间隙信息，实现三维、纳米分辨力传感与测量；B、当被测件为非导体时，采用接触探测原理进行传感：测量驱动机构驱动复合原理测头或被测件至微测球接触被测件，此后微测球的位移转换为柔性悬挂机构的变形，该变形通过弹性传递机构传递至敏感单元，敏感单元将位移信号转换为传感信号，采用复合原理信号检测系统对该传感信号进行检测和处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微测球（6）采用不锈钢或碳化钨材料制成，球体表面镀金或铂材料薄膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微测球（6）直径在ϕ1μm~ϕ1mm范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测头姿态调整机构（3）为二维柔性铰链、二维气浮轴承或气浮球轴承结构。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述屏蔽机构（8）和所述信号传输电缆（11）均为多同轴结构。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述柔性悬挂机构（19）采用铍青铜或弹簧钢材料制成。