一种二维微位移平台测量系统的研究

　　微位移测量已经在精密测量、超精密加工、微型装配、纳米技术、基因工程的显微操作系统等方面显示了越来越重要的作用。而微位移测量实现关键的环节在于精确的定位和精细的运动, 因此设计定位精确, 高精度的微位移测量平台已经成为这些测量领域一个重要而艰巨的任务。

　　目前二维微位移测量的方法主要有: 采用杠杆与柔性铰链组合的二维微位移测量平台, 该平台通过激光干涉仪检测两组杠杆平行四边形机构的位移来实现二维微位移测量[ 1] ; 二维微位移测量柔性工作台, 其柔性导向系统通过集成行进放大器推动多挠曲平行四边形实现定位, 其上配备的电容型位置反馈传感器在闭环状态下为定位提供了纳米级的分辨力[ 2] ; 以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移工作台, 通过测量光栅运动位移与所产生干涉条纹的相移之间的关系实现对微位移的测量[ 3] 等。国外在微位移测量方面的研究技术趋于成熟, 已经研制出高精度的微位移测量平台。但国内目前的二维微位移测量平台在实际应用中, 微位移机构的稳定性和定位的精确性上都有很大的局限性, 难以满足多种测量领域的需要。本文提出的采用应变式传感器等构成的二维微位移测量平台, 可在50 um 的全量程范围内进行精密的二维微位移测量, 分辨率可达到1/ 5 000 FS —— 1/ 10 000 FS。具有体积小、集成度高、精确度高的优点, 有利于提高整个微位移测量平台的精度、实用性和经济性。

　　1 测量系统结构

　　二维微位移平台测量系统主要包括微位移检测传感器、处理电路以及相关系统软件三个组成部分。其X、Y 全量程均为50 Lm ( 即±25 um) , 设计分辨率为1/ 5 000 FS ——1/ 10 000 FS。原理框图如图1所示。

　　其中, 微位移检测传感器主要由弹性体和敏感元件构成。敏感元件粘贴在弹性体上, 当弹性体产生位移时, 由敏感元件组成的两路惠斯通电桥将分别对X、Y 方向位移进行精确的微纳米级测量。它的输出信号传送到电路系统中进行处理。

　　处理电路主要由基于片上系统的微处理器MSC1210[ 4] 组成。MSC1210 为美国德州仪器公司新近推出的一款增强型微处理器, 附带多个增强功能, 集成度高。微位移检测传感器的检测信号经电路处理后, 其输出的数字信号经RS232 串口与PC机通讯。

　　系统软件包括微处理器程序和上位机程序。微处理器程序实现二维微位移测量信号的采样和处理。上位机软件是用高级语言设计而成的, 它可实现的功能有: 对微处理器的参数进行设置; 通过RS232 串口与硬件系统输出的数字信号进行通讯。