[发明专利]基于电液放大的三自由度精密微位移探针及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，包括基座、探针头和三个测量臂。测量臂包括电液放大器和连杆，电液放大器内部设有腔体，腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，小直径段位于电液放大器固定连接于基座的一端，小直径段设有压电陶瓷，变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，活塞沿大直径段做轴向运动；腔体在活塞与压电陶瓷之间充满液体；连杆的两端分别设有柔性球铰以分别连接于电液放大器的活塞和探针头。测量方法包括采用三自由度结构，将刚性探针头作用在被测物体表面上，通过3组连杆及电液放大器，将被测物体的空间位移，转换成三组电压信号，通过对三组电压信号的解耦，分析计算出被测物体的实际位移。

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针及其测量方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展和科学技术的不断前进，机械设备正在朝着大型、高速、精密的方向发展，对机械设备运行中微小位移检测需求也愈加提升。但是在位移检测中普遍采用惯性传感单元、拉线传感器、磁致伸缩位移传感器等方法，进行位移检测，但是由于传感器自身体积尺寸以及安装方式的限制，对于微小物体位移检测颇为困难；机械探针式的则可实现对一特征点进行位移检测，为了实现多方向的位移检测，则需要串联多个关节臂，采用串联结构后系统刚度比较差，整体上表现为系统精度难以控制，在测量空间上表现出精度的不均匀性。并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等独特的优点，在并联机器人、并联机床和MEMS执行器件上已得到非常成熟的应用，但是在位移测量的领域，并联机构却没有很好的应用。同时在微位移放大结构中，通常会采用柔性杆组串联进行位移放大，但是由于柔性杆组串联放大结构复杂，且由于柔性构件本身的柔性属性，累积使得其刚性差，对微小位移不敏感，难以精确捕捉。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，该探针可以实现一点上三个自由度的微位移精密测量。还提供了相应的基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，包括基座、探针头和三个测量臂；所述测量臂包括电液放大器和连杆，所述电液放大器内部设有腔体，所述腔体的开口处设有活塞，所述腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，所述小直径段位于所述电液放大器固定连接于所述基座的一端，所述小直径段设有压电陶瓷，所述变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，所述活塞沿所述大直径段做轴向运动；所述腔体在所述活塞与所述压电陶瓷之间充满液体；所述连杆的两端分别设有柔性球铰以分别连接于所述电液放大器的活塞和所述探针头。

一优选实施例中，所述基座呈等边三角形，所述探针头的上部呈等边三角形，三个所述测量臂呈等边三角形布置。

一优选实施例中，所述基座上设有连接所述压电陶瓷的信号触点。

一优选实施例中，所述活塞与所述腔体的壁之间设有薄膜。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法，使用前述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针，基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法包括：

将所述探针头压在被测物体上；

所述探针头检测被测物体的位移；

三个所述连杆分别将所述探针头的位移的分量传递至相应的所述电液放大器；

所述电液放大器放大对应的位移的分量；

根据所述压电陶瓷输出的电压信号计算出所述探针头的实际位移。

采用本发明具有如下的有益效果：