基于电涡流技术的狭缝测量装置的研制

1　引　言

　　狭缝机构多用于光谱仪器中,谱线的质量在很大程度上取决于狭缝机构的质量。目前国内较多采用的是蔡氏机构,它可满足光学仪器中较高精度的要求。但随着科学技术的发展,对光谱仪器的单元部件—狭缝机构提出了更高的精度要求。如电子同步辐射加速器、光束线和光刻装置就需要精度为亚微米级或微米级的狭缝调节机构,且在真空中运行。我们研制的平行四边形柔性铰链方案较好的解决了高精度平行狭缝机构的关键问题。基于柔性铰链原理,设计了由两个并列的四边形柔性铰链构成的狭缝机构。与现有的斜楔式狭缝机构相比,该机构的特点是内摩擦小、运动灵敏、位移精度高。而且,两个四边形柔性铰链可在同一块弹性材料板上加工而成,易于实现高精度的制造。由高精度电涡流传感器、单片机、步进电机、螺旋副和圆锥顶杆构成的闭环系统实现了狭缝机构宽度的自动调节。高精度电涡流传感器的探头和测块,分别直接安装于两四边形柔性铰链上。电涡流传感器输出可直接反映狭缝宽度的变化,有效的补偿了调节系统机械部分的误差对缝宽调节精度的影响。本设计综合应用精密机械、高精度电涡流测量技术和单片机技术,采用步进电机的闭环控制,研制出精度高、工作稳定可靠的狭缝机构。

2　机械部分结构

　　机械部分核心(平行四边形柔性铰链)的基本原理是螺旋-斜面微位移结构,其机构如图1所示。

　　螺旋-斜面微位移结构的运动关系为:

β为步进电机步距角。机械结构图见图2。

其工作过程为:步进电机由脉冲的控制带动螺杆旋转,螺母在止转器限制下向下移动,推动导杆楔入柔性铰链使两缝片之间的缝口打开,缝口大小由电涡流传感器测量,反馈给单片机,单片机通过计算调整步进电动机的控制脉冲和通电次序。如果缝口过小,步进电机就继续正向旋转使缝口开大;如果缝口过大,步进电机就反向旋转使缝口减小。如此,形成一个闭环控制系统。

对于本系统我们通过建立数学模型来分析各个零件的精度对缝口大小精度的影响,分三种情况来建模:①导杆沿柔性铰链厚度方向倾斜;②导杆沿垂直柔性铰链厚度的方向倾斜;③导杆的倾斜方向介于前两种情况。可以只对前两种情况进行建模,第三种情况的结果介于前两者的之间,故不用再单独建模。建立数学模型后求出脉冲当量的全微分,然后借助Matlab计算分析,得出如下结论:导杆端部的锥度精度是影响缝口大小精度的主要因素。

3　单片机测控部分

　　单片机测控部分结构框图如图3所示。