【技术实现步骤摘要】
本专利申请属于超精密测量和光电测量领域，且应用于坐标测量，尤其是一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置及方法。
技术介绍
1、在最高精度的微纳米空间测量领域中，相应的传感器装置及探头需要能以可计量的方式将工件表面的测量点精确分配到空间坐标上。空间坐标的测量在研究和工业中具有根本的重要性，坐标计量学作为精密测量技术的重要分支，已经在工业生产、智能制造、精密设备开发、质量检测和科学研究等领域发挥着重要作用。
2、目前市面用于精密坐标测量技术的三维测量探头及传感装置多为基于电容式、电感式、压阻式、光栅式等原理的探头装置，对于基于光电学测量原理的相关传感探头装置的研究较少。现有的光电学三维传感探头由于集成了光学元件，对其中光学元件的精度要求高，结构较为复杂，光电学元件成本较高，而且由于较长的光程及较为复杂的零部件结构，使得传感器受温度影响较为明显且对探测力也不易标定。
3、因此在可用于坐标测量技术的光电精密测量领域，为了满足高精度测量的需求，需要开发具有高分辨率的位移测量及探测力可计量功能的结构简单、精度高、成本低的测量传感探头装置。
技术实现思路
1、鉴于上述现有技术的不足以及对光电测量新的应用方法的探索，本专利提供一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置及方法，对光电学测量原理在坐标测量
的应用提供了新的设计思路、测量方法和应用，具有结构简单、精度高、成本低、可量测范围大、高分辨率的位移测量且可计量探测
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，主要包括传感探头主体结构部分、光电位移测量部分、电源和放大电路部分、信号采集和计算机系统、运动系统，其中：
4、传感器的主体结构部分，主要用于为传感器在x、y、z轴三维方向上产生形变位移分别提供恒定的弹簧刚性和功能结构基础；光电位移测量部分，用于探测所述传感器的位移位置信息并产生测量信号；电源和放大电路部分，至少用于为光电测量部份提供稳定电压，且为测量信号提供转换、放大功能的电路；信号采集和计算机系统，主要用于采集和记录测量信号；运动系统，主要用于为传感装置提供高精密驱动。
5、其中，传感器主体结构部分可以由一个整体结构构成，所述整体结构可以集成分别为x、y、z方向提供线性形变基础、弹簧刚性可知的结构部分和可用于校准的测量校准臂（21），用于对所述的传感主体结构在测量过程中可能产生的扭矩、偏转情况进行监测以及实现整体化设计；所述的可知的弹簧刚性，可以用于对所述的探头装置的探测力的校准和标定。
6、其中，光电位移测量部分至少包括三个独立的光电测量单元，进一步地可以但不限于包括五个独立的光电测量单元（5）（6）（7）（8）(9)，用于位移测量和校准测量；所述的光电测量单元可以由五组光源、带孔隙的遮光片(19)以及象限光电二极管构成，其用于根据通过孔隙的光斑在象限二极管的光敏区的位移产生相应的测量信号；所述带孔隙的遮光片（19）被集成于所述的测量校准臂（21）。
7、其中，所述的光源可以使用具有高光强度、较小的光斑直径和响应速度等优点的红外led（18），用于为所述的光电测量单元提供测量光；所述的象限光电二极管可以为双象限光电二极管（20）或者四象限光电二极管，其特性参数应与所述的led灯适配，用于产生可消除非线性因素影响的位移信息；所述的双象限光电二极管（20）包括两个相互独立且对称的光敏区，用于感光并产生电流信号；所述的带孔隙的遮光片（19）的尺寸、形状及其孔隙的形状应与所述的红外led灯以及象限光电二极管的尺寸等参数适配；所述的带孔隙的遮光片的孔隙可以为小孔或狭长缝隙等，作用是使由所述的红外led产生的一定的光作为测量光透过遮光片并照射到所述的象限光电二极管有效测量范围的光敏区，根据位移位置产生有效的测量信号，并遮挡杂光。
8、其中，信号采集和计算机系统（11）主要由带有信号采集测量卡的计算机和测量信号处理软件组成，主要用于测量信号在微纳米范围内对电信号-时间-位移-力之间关系的准确处理与分析，以获取高精的空间测量点以及位移信息；所述的信号采集测量卡的测量通道、分辨率等参数应与所述的光电测量部分适配，用于提高测量数据的准确性。
9、其中，用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置的主体结构部分应包含合适的测量探针（1）；所述的测量探针包括一定长度的测杆和测球；所述测球可以但不限于使用蓝宝石、红宝石或者其它密度较小的材料构成的测球，用于与被测物的接触探测。
10、进一步，运动系统至少是由带有高分辨率驱动的高精密导轨等运动、连接机构组成；所述的精密导轨用于至少提供x、y、z三个平动自由度的高精运动。
11、本专利的另一目的在于提供一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置应用于坐标测量技术的测量原理、步骤和分析方法，本说明中光电测量单元以包含双象限光电二极管的设计思路为例，所述装置的测量原理及分析方法包括：
12、步骤一，组装并校准用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，包括电路部分、机械结构部分、信号测量系统等；对所述测量传感探头装置的机械结构的校准和光电测量单元的对中校准可以使用但不限于的激光干涉仪等高精度、高分辨率的仪器或方法；对所述电路部分和信号测量系统的校准可通过设计适当的滤波以及信号调零。校准、调零后的光电二极管在电源接通状态，由红外led（18）产生通常在850纳米至940纳米之间波长的光应透过经过合适光路设计的带有缝隙的遮光片（19），并均匀的分布至双象限二极管（20）的两个光敏区a和b。
13、步骤二，当由固定于高精运动系统的所述传感装置对固定于工作台的被测物或工件进行探测时，测量探头沿x、y、z任意方向向被测物移动并在测量范围内进行接触，在接触探测力的作用下传感装置的弹性结构发生微小形变，此时相应的测量单元中的遮光片发生位移，透过遮光片缝隙的定量的红外光波同时也产生相应的位移，在两个独立的光敏区a和b之间移动，分别落到光敏区a和b的光所激发的光敏面积sa和sb由于位移发生变化，但两者的差值(sb-sa)与位移大小δx是成线性相关的，此过程一直被信号采集系统记录；相应的测量信号分别为电压ua和ub,通过电压信号差（ub-ua）与形变位移的线性关系标定探头装置在探测过程中的位移信息；考虑到遮光片在垂直于探头装置位移的方向上可能发生的微小位移对测量结果的影响，可用(ub-ua)/(ua+ub)表征测量信号进行处理分析。
14、步骤三，通过计算机系统处理信号，用于对测量信号的优化分析和可视化处理；通过胡克定律得到电信号-时间-位移-探测力之间的相互对应关系，对特性曲线进行定量、定性分析；对校准用的两个测量单元（8）（9）的测量信号结合探针（1）、测量校准臂（21）等的尺寸进行分析评估。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
4.根据权利要求1或3所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
5.根据权利要求1、3或4所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
6.根据权利要求1所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
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8.根据权利要求1、2或7所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
9.一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式
...【技术特征摘要】
1.一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的一种用于坐标测量技术的三维光电学接触触发式位移-力测量传感探头装置，其特征在于，
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