[发明专利]双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法

摘要

本发明公开了一种双端音叉三维谐振触发探头系统及其真三维测量方法，由支承架、转接件、双端音叉和光纤微探球构成。支承架用于固定整个测头机构。转接件分别固定于支承架下方的两端，用于连接支承架及双端音叉。双端音叉同时作为悬臂梁和微力传感器，其下叉臂正中间下方固定设置一体式光纤微探球。本发明方法设置双端音叉带动的一体式光纤微探球在Z方向上与试样以轻敲模式接触，在X、Y方向上与试样以摩擦模式接触，检测双端音叉谐振信号的变化作为反馈量表征一体式光纤微探球与试样表面的碰触程度，实现对试样的真三维测量。本发明可实现对柔软材料等的精确触发定位和低破坏性测量，并可用于对微内孔试样内壁的高精度真三维测量。

主权项

双端音叉三维谐振触发探头系统，其特征在于：包括有支承架，支承架底部架面连接有两个完全相同位置对称的转接件，还包括有双端音叉，所述双端音叉由两个叉端和连接两个叉端的叉臂对构成，双端音叉的两个叉端一一对应连接在转接件底面，叉臂对中两个叉臂分别平行于支承架底部架面并沿竖向并行设置，叉臂对中位于下方的叉臂正中间底面固定有一体式光纤微探球；所述双端音叉的叉臂对上设置有电极，通过电极激励双端音叉带动光纤微探球谐振；光纤微探球基于光纤拉锥技术和光纤熔融烧球技术制备而成，双端音叉的振动方式为，在电极的激励下两个叉臂在平面内沿宽度方向反相弯曲振动；双端音叉由石英晶体制备，切型选择与振动模式及工作频率相关，弯曲振动模式下XY切型对应频率范围1~80KHz，NT切型对应频率范围40~100KHz；所述双端音叉叉臂长度沿石英晶体y轴方向，宽度沿石英晶体x方向，厚度沿石英晶体z轴方向，即采用(zyx) 5º切型切角结构；双端音叉的谐振频率与其几何尺寸相关，即可通过改变叉臂的长度、宽度、厚度调节双端音叉的谐振频率及力频系数，所述双端音叉谐振频率以及力频系数与其几何尺寸的相关关系式分别为：，；其中f 为双端音叉的基频，S 为其力频系数，l 、w 、t 分别为两个叉臂的长度、宽度、厚度，m 为与边比有关的系数，ρ 为石英材料的密度，s ΄22为石英的弹性柔顺常数；双端音叉两个叉臂上电极的设置采用叉臂四周被电极方式，使沿两个叉臂宽度方向产生两个大小相等、方向相反的电场。