專利名稱：微位移標(biāo)準器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種幾何量計量中的標(biāo)準器具，它能給出標(biāo)準的微小位移值。目前檢定測微儀器和輪廓測量儀器時用得最多的是量塊和粗糙度樣板。它由成套量塊中單塊或配組給出確定精度的長度值或粗糙度樣板的指定點標(biāo)定值與測量儀器的實際測值比較后給出儀器的測量誤差。但在檢定高分辨率〔小于0.01微米〕測微儀或高精度電動輪廓儀時，往往會遇到，無法給出0.01微米以下的示值變化檢定問題。
本發(fā)明的目的是提供一種微位移標(biāo)準器。它能在一微米的分段范圍內(nèi)給出分辨率為0.001微米的微小位移值，精度按目前技術(shù)可以達到0.005微米。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的在一個一維、二維或三維的高精度微動工作臺中，某一維為由現(xiàn)有機械微動機構(gòu)移動范圍一毫米，分段一微米，而在各分段內(nèi)由本發(fā)明提出的階躍電壓掃描、分段積分法標(biāo)定壓電陶瓷非線性后的壓電陶瓷驅(qū)動器提供分辨率優(yōu)以0.001微米、精度為0.005微米的標(biāo)準微小位移值。
分段積分法標(biāo)定壓電陶瓷非線性系數(shù)的原理為壓電陶瓷的非線性電致伸縮效應(yīng)可表示為
D＝a0+a1＊v+a2＊v＊v (1)式中v為電壓，單位伏特;D為加電壓后的位移值;a0為不加電壓的位移，單位微米;a1為一次壓電系數(shù)，單位微米每伏特;a2為二次壓電系數(shù)，單位微米每平方伏特。
用階躍電壓掃描雙光束干涉儀標(biāo)定微位移標(biāo)準器。干涉儀的參考鏡為固定鏡面，掃描動鏡由本發(fā)明提出的微位移標(biāo)準器構(gòu)成。干涉儀的輸出光強Ii為Ii＝a+b＊[2＊3.141593＊c＊i/n+2＊3.141593＊d＊(i/n)^2+q] (2)式中n為總的步進數(shù)，若I1和I2分別為參考臂和測量臂的光強，則a為I1+I2，b為(I1＊I2)^0.5，q為q0+qa，其中q0為不考慮壓電陶瓷影響的初位相，qa為(4＊3.141593＊a0/r)，r為真空中光波長，c為歸化后的一次壓電系數(shù)，它等于V0＊n0/V01，其中n0為介質(zhì)折射率，V0為經(jīng)過n步達到的最大電壓值，一般為光強從最大到最小又到最大時，施加的電壓值。它相當(dāng)于位相變化2＊3.141593，位移變化r/2時施加的電壓。V01為只考慮一次壓電系數(shù)時，位移變化r/2所加電壓，即V01＝r/(2＊a1)。d為歸化后的二次壓電系數(shù)，它等于(V0/V02)^2(簡略起見，以下相同符號不再說明)，其中V02為只考慮二次壓電系數(shù)時，位移變化r/2所加電壓，即V02＝(r/(2＊a2))^0.50 i＝0，1，2，……，n用分塊積分法處理式(2)并對式(2)作變量替換，設(shè)分塊數(shù)為M，通常M取4，則有
<Ii>j＝a+b＊M＊0.5/d^0.5＊lim[x1＊∑cos(3.141593＊0.5＊ti＊ti)-x2＊∑sin(3.141593＊0.5＊ti＊ti)]dti
(j＝0，1，2，……，M-1);(i＝0，1，2，……，n)式中取ti＝(2＊d^0.5/n)＊i+c/d^0.5，dti＝(2＊d^0.5)/n＊di，tj＝(2＊d^0.5/M)＊j+c/d^0.5，已取q1＝q-3.141593＊c＊c＊0.5/d，x1＝cos(q1)，x2＝sin(q1)o我們首先對階躍掃描光強曲線分四塊積分，給出I0，I1，I2，I3，然后根據(jù)下式求出初位相角q1tan(q1)＝(I3-I1)/(I0-I2) (4)再移n/4后四塊積分給出I0(1)，I1(1)，I2(1)，I3(1)，同時又由式(4)算出q1(1)，如此右移四次后，就給出
，它們應(yīng)分別滿足下式
把式(5-d)減式(5-b)再減去式(5-c)和式(5-a)的差則有
把上述c0，d0值和各組積分光強值Ij(0)，Ij(1)，Ij(2)，Ij(3)代入式(3)，進一步求出
又可以求出c1和d1，如此迭代下去，到第k次，使ABS(c(k)-c(k-1))小于e，ABS(d(k)-d(k-1))小于e，e為任意小的正數(shù)，這時c＝c(k)，d＝d(k)為滿足精度要求的壓電陶瓷歸化非線性系數(shù)。用它就可以定度壓電陶瓷的非線性。也就是說可以精確地給出壓電陶瓷的電壓-位移特性曲線。它的分辨率小于0.001微米，精度0.005微米。影響精度的主要因數(shù)是電壓的穩(wěn)定度和測量光強的精度。
經(jīng)過上述方法定度后的微位移標(biāo)準器可以用于檢定分辨率小于0.01微米的測微儀器，并且通過用相同方法給出確定位置標(biāo)準表面輪廓線檢定高精度的表面輪廓測量儀器。
上述分塊積分的平移過程還可以推廣到平移n/k，然后給出k個方程，再用最小二乘法原理擬合出c0和d0，進一步迭代后得出c和d。
本發(fā)明的微位移標(biāo)準器包括一維、二維和三維，它的兩個互相垂直的平面保證由壓電陶瓷驅(qū)動的方向可以是三維中的任意一維。并且可以檢定直型探頭或旁側(cè)型探頭。
由于采用本發(fā)明提出的壓電陶瓷非線性定度技術(shù)和機械結(jié)構(gòu)保證簡單、高精度和高穩(wěn)定性，使建立的微位移標(biāo)準器能夠方便地用于檢定其它位移和表面輪廓測量儀器中。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
因為一維、二維、和三維的主要區(qū)別在機械微動裝置而底座和壓電陶瓷驅(qū)動器是相同的而且可以利用現(xiàn)有的機械微動裝置，所以只說明三維的微位移標(biāo)準器。圖中1為底座，部件2為機械微動裝置，它主要由導(dǎo)軌2-1、2-2、滑板2-3、2-4、差分螺旋機構(gòu)2-5、2-6、絲杠2-7、2-8、傳動螺母2-9、2-10、蝸輪2-11、蝸桿2-12、動軸2-13、和消間隙彈簧2-14、2-15、2-16等零件構(gòu)成，部件3為壓電陶瓷驅(qū)動器，它主要由平晶3-1、壓電陶瓷3-2、壓電陶瓷底座3-3等構(gòu)成。其中底座1的A、B兩面有平面度和垂直度要求，動軸2-13有直線度、同軸度以及跟B面的垂直度要求，平晶3-1表面C與表面B有平行性要求，本身有表面粗糙度、平面度和光學(xué)特性要求，壓電陶瓷3-2開有引線槽?？傊疄檫_到0.005微米的總精度要求，在總體設(shè)計時應(yīng)考慮到各項誤差的影響和穩(wěn)定性、重復(fù)性要求。
一般情況下，該微位移標(biāo)準器給出某點的位移曲線或某位置的表面輪廓曲線，可以用它們按檢定技術(shù)的要求檢定相應(yīng)的測微裝置。
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權(quán)利要求
1.一種微位移標(biāo)準器其特征是在一個一維、二維或三維的高精度微動工作臺中，某一維為由現(xiàn)有機械微動機構(gòu)移動范圍一毫米，分段一微米，而在各分段內(nèi)由本發(fā)明提出的階躍電壓掃描、分段積分法標(biāo)定壓電陶瓷非線性后的壓電陶瓷驅(qū)動器提供分辨率優(yōu)于0.001微米、精度為0.005微米的標(biāo)準位移值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移標(biāo)準器，其底座部分兩個互為垂直的平面提供它能在階躍電壓掃描相調(diào)干涉儀中方便定度，定度后能檢定直型或旁側(cè)型測微傳感頭，壓電陶瓷底座方便機械加工，壓電陶瓷開槽方便引出內(nèi)部導(dǎo)線。
全文摘要
一種能給出標(biāo)準微小位移值的微位移標(biāo)準器，它包括一維、二維和三維，其中結(jié)合


三維的微位移標(biāo)準器。它是在三維高精度微動工作臺中，某一維用分段一微米以及在一微米范圍內(nèi)用階躍掃描、分段積分法標(biāo)定壓電陶瓷非線性特性后的壓電陶瓷驅(qū)動器給出分辨率為0.001微米，精度可以達到0.005微米的標(biāo)準位移值或表面輪廓曲線，從而可以用它作為幾何量計量中檢定用的標(biāo)準器具?？梢杂盟鼨z定相應(yīng)的測微儀表、儀器或電動輪廓儀器，彌補用量塊或表面粗糙度樣板檢定時不能在0.001—0.1微米范圍內(nèi)連續(xù)給出標(biāo)準值的缺陷。
文檔編號G01B21/02GK1065522SQ9110417
公開日1992年10月21日 申請日期1991年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月18日
發(fā)明者朱若谷 申請人:中國計量學(xué)院