[发明专利]干涉差动位移法微小力控制系统

说明书

本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，属于精密测量技术领域。本发明主要由控制及信息输出模块、光学测量模块、微小力发生模块组成。控制及信息输出模块用于测量光学测量信号，微小力发生、解算、控制及信号的外部通讯。光学测量模块用于将测量值及计算控制值与微小力值建立相互的对应关系，综合计算输出微小力的数据。微小力发生模块利用静电力方法，采用梳齿结构提高静电力获得微小力值的分辨能力和范围。本发明能够在微小力值的多种环境条件，通过干涉方法准确微小力值发生的位移变化进而确定微小力值的大小。本发明具有较高适应性和准确性，结构紧凑。和量值度量。

技术领域

本发明涉及一种干涉差动位移法微小力控制系统，属于精密测量技术领域。

背景技术

微小力值控制及测量广泛地应用于运动系统及精密测试技术领域，是目前高精度力值复现和应用的重要手段，在复杂结构和系统中具有十分重要的意义。微小力由于力值范围原因导致其控制、使用及测量困难，需要配合相应的特色结构、方法和设备才能够准确获得和使用。微小力值的产生与复现可以通过精密致动器或精细的弹性结构变形等方式实现，这些方法的实现都需要精密的量值测量与反馈系统作为准确微小力值发生。目前应用的微小力值控制系统复杂，集成度和使用的灵活性差，存在实际使用准确力值的条件无法满足需要。根据弹性结构特点，将结构变化的位移量和微小力值建立起精确对应关系，通过准确测量位移变化量来实现微小力值发生与控制，可以从原理上提高微小力值的重复控制和量值度量。

发明内容

为了解决现有微小力值控制系统及测量中力值难于控制和复现的问题，本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统要解决的技术问题是：提供一种利用弹性原理的干涉差动位移法微小力控制系统，能够在微小力值的多种环境条件，通过干涉方法准确微小力值发生的位移变化进而确定微小力值的大小。本发明具有较高适应性和准确性，结构紧凑。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

所述微小力值范围指一般指1mN以下的力值，本发明中涉及实现50μN到1mN范围。

本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，主要由控制及信息输出模块、光学测量模块、微小力发生模块组成。控制及信息输出模块用于测量光学测量信号，微小力发生、解算、控制及信号的外部通讯。光学测量模块用于将测量值及计算控制值与微小力值建立相互的对应关系，综合计算输出微小力的数据。微小力发生模块利用静电力方法，采用梳齿结构提高静电力获得微小力值的分辨能力和范围。所述的干涉差动位移法微小力控制系统通过控制静电力的变化，利用结构的弹性形变的方法产生微小力值，光学测量模块采用激光干涉测量方法作为微小力值闭环控制测量单元，通过测量弹性形变产生的位移变化间接获取微小力值，其中在微小位移恒定时，加载电压的平方和微小力值呈线性关系；当加载电压恒定时，微小力值与微小位移呈线性关系。工作中，激光干涉测量采用差动测量方法以提高测量的准确性，并实现确定微小力的量值输出控制和复现。

确定微小力的量值方法任选如下两种方法中一种：方法一：约束加载电压，通过测量弹性变形结构的位移变化来间接测量出微小力值的量值；方法二：采用约束微小位移值，通过电压测量来确定微小力的量值。

光学测量模块包括光源、1/4波片、偏振分光棱镜、1/2波片、反射镜、光电接收器等必要的光学元件，用于位移测量的光学干涉实现，其中包括光学扩束、分光及光电转换。

微小力发生模块，主要包括微小力值发生的执行机构，梳齿静电力发生结构，采用静电力驱动弹性结构体变形，结合控制与信息输出模块完成弹性体变形及其位置控制，实现微小力值的产生。

本发明公开的干涉差动位移法微小力控制系统，包括准直器、第一1/4波片、第一偏振分光棱镜、第一平面反射镜、第一1/2波片、第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第三偏振分光棱镜、第三1/4波片、第四1/4波片、第四偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、第五1/4波片、第六偏振分光棱镜、第六1/4波片、第七1/4波片、第二平面反射镜、第一光电转换器、第二光电转换器、梳齿固定极板、梳齿运动极板、微小力值测头。