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申请/专利权人：浙江大学宁波理工学院

摘要：本发明公开了一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，包括基座、探针头和三个测量臂。测量臂包括电液放大器和连杆，电液放大器内部设有腔体，腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，小直径段位于电液放大器固定连接于基座的一端，小直径段设有压电陶瓷，变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，活塞沿大直径段做轴向运动；腔体在活塞与压电陶瓷之间充满液体；连杆的两端分别设有柔性球铰以分别连接于电液放大器的活塞和探针头。测量方法包括采用三自由度结构，将刚性探针头作用在被测物体表面上，通过3组连杆及电液放大器，将被测物体的空间位移，转换成三组电压信号，通过对三组电压信号的解耦，分析计算出被测物体的实际位移。

主权项：1.一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，其特征在于，包括基座、探针头和三个测量臂；所述测量臂包括电液放大器和连杆，所述电液放大器内部设有腔体，所述腔体的开口处设有活塞，所述腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，所述小直径段位于所述电液放大器固定连接于所述基座的一端，所述小直径段设有压电陶瓷，所述变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，所述活塞沿所述大直径段做轴向运动；所述腔体在所述活塞与所述压电陶瓷之间充满液体；所述连杆的两端分别设有柔性球铰以分别连接于所述电液放大器的活塞和所述探针头；所述活塞与所述腔体的壁之间设有薄膜；所述基座呈等边三角形，所述探针头的上部呈等边三角形，三个所述测量臂呈等边三角形布置，所述探针头下端为锥形。

全文数据：基于电液放大的三自由度精密微位移探针及其测量方法技术领域本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针及其测量方法。背景技术随着现代工业技术的发展和科学技术的不断前进，机械设备正在朝着大型、高速、精密的方向发展，对机械设备运行中微小位移检测需求也愈加提升。但是在位移检测中普遍采用惯性传感单元、拉线传感器、磁致伸缩位移传感器等方法，进行位移检测，但是由于传感器自身体积尺寸以及安装方式的限制，对于微小物体位移检测颇为困难；机械探针式的则可实现对一特征点进行位移检测，为了实现多方向的位移检测，则需要串联多个关节臂，采用串联结构后系统刚度比较差，整体上表现为系统精度难以控制，在测量空间上表现出精度的不均匀性。并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等独特的优点，在并联机器人、并联机床和MEMS执行器件上已得到非常成熟的应用，但是在位移测量的领域，并联机构却没有很好的应用。同时在微位移放大结构中，通常会采用柔性杆组串联进行位移放大，但是由于柔性杆组串联放大结构复杂，且由于柔性构件本身的柔性属性，累积使得其刚性差，对微小位移不敏感，难以精确捕捉。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，该探针可以实现一点上三个自由度的微位移精密测量。还提供了相应的基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：根据本发明的一方面，提供了一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，包括基座、探针头和三个测量臂；所述测量臂包括电液放大器和连杆，所述电液放大器内部设有腔体，所述腔体的开口处设有活塞，所述腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，所述小直径段位于所述电液放大器固定连接于所述基座的一端，所述小直径段设有压电陶瓷，所述变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，所述活塞沿所述大直径段做轴向运动；所述腔体在所述活塞与所述压电陶瓷之间充满液体；所述连杆的两端分别设有柔性球铰以分别连接于所述电液放大器的活塞和所述探针头。一优选实施例中，所述基座呈等边三角形，所述探针头的上部呈等边三角形，三个所述测量臂呈等边三角形布置。一优选实施例中，所述基座上设有连接所述压电陶瓷的信号触点。一优选实施例中，所述活塞与所述腔体的壁之间设有薄膜。根据本发明的另一方面，提供了一种基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法，使用前述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针，基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法包括：将所述探针头压在被测物体上；所述探针头检测被测物体的位移；三个所述连杆分别将所述探针头的位移的分量传递至相应的所述电液放大器；所述电液放大器放大对应的位移的分量；根据所述压电陶瓷输出的电压信号计算出所述探针头的实际位移。采用本发明具有如下的有益效果：1、本发明通过采用三自由度结构，实现了空间位移的多向分解，即通过柔性机构连杆和柔性球铰与电液放大器的串联，解决了由于柔性结构微小形变不明显的问题，实现了对微小位移的精确捕捉，并实时转化成电压信号。2、本发明整体结构紧凑简单，无间隙，放大倍数高，适用于末端姿态精调与微小振动测量。附图说明图1为本发明实施例一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针的结构示意图；图2为三自由度精密微位移探针的部分剖视示意图；图3为三自由度精密微位移探针的工作流程示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。参照图1和图2，本发明公开了一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，该探针包括基座1、探针头4和三个测量臂。在图1和2中所示的实施例中，基座1呈等边三角形，探针头4的上部同样呈等边三角形，故而，三个测量臂呈等边三角形布置于探针头4的周侧。每个测量臂均包括电液放大器2和连杆3，连杆3的作用是将探针头4检测到的微小位移传递至电液放大器2，电液放大器2将微小位移放大，最后通过压电陶瓷6的压电效应将位移信号转换为电信号输出基座1上设有连接压电陶瓷6的信号触点61。电液放大器2内部设有腔体21，腔体21的开口处设有活塞22，腔体21包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，小直径段位于电液放大器2固定连接于基座1的一端，小直径段设有压电陶瓷6；变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，起到将活塞22的位移放大的作用；活塞22沿大直径段做轴向运动。其中，腔体21在活塞22与压电陶瓷6之间充满液体以传递活塞22的位移信号。连杆3的两端分别设有柔性球铰5以分别连接于电液放大器2的活塞22和探针头4，柔性球铰5的设置便于探针头4在三个方向上的位移信号传递。一具体实施例中，为了减小摩擦，在活塞22与腔体21的壁之间设有薄膜。本发明所述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针的测量过程如下：1将刚性探针头4压在被测物体上；2被测物体进行微小位移，从而促使刚性探针头4发生微小位移；3探针头4上的微小位移被三组并联臂即三个测量臂分解，通过三个连杆3例如图3所示的连杆A、B和C，各个位移分量例如图3所示的A、B和C向分位移分别传递至电液放大器2例如图3所示的电液放大器A、B、C的活塞22；4电液放大器2的活塞22发生微小位移，由于腔体21的大直径段横截面积大，经变直径段的放大作用，活塞22推动液体作用于压电陶瓷6上。5压电陶瓷6具备压电效应，其在活塞22推动液体的外力作用下发生形变，压电陶瓷6会在两端产生电压。6通过测量连接压电陶瓷6的信号触点之间的压差，计算出压电陶瓷6发生的形变量；然后根据电液放大器2的放大倍数，计算出各并联臂上发生的实际位移大小；最后根据三自由度并联机构如基于电液放大的三自由度精密微位移探针的正运动学模型进行解耦如图3所示的X、Y、Z向位移，计算出探针头4末端的实际精确空间位移。应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

权利要求：1.一种基于电液放大的三自由度精密微位移探针，其特征在于，包括基座、探针头和三个测量臂；所述测量臂包括电液放大器和连杆，所述电液放大器内部设有腔体，所述腔体的开口处设有活塞，所述腔体包括依次设置的小直径段、变直径段和大直径段，所述小直径段位于所述电液放大器固定连接于所述基座的一端，所述小直径段设有压电陶瓷，所述变直径段的横截面直径由下至上逐渐减小，所述活塞沿所述大直径段做轴向运动；所述腔体在所述活塞与所述压电陶瓷之间充满液体；所述连杆的两端分别设有柔性球铰以分别连接于所述电液放大器的活塞和所述探针头。2.如权利要求1所述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针，其特征在于，所述基座呈等边三角形，所述探针头的上部呈等边三角形，三个所述测量臂呈等边三角形布置。3.如权利要求1所述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针，其特征在于，所述基座上设有连接所述压电陶瓷的信号触点。4.如权利要求1所述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针，其特征在于，所述活塞与所述腔体的壁之间设有薄膜。5.一种基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法，其特征在于，使用如权利要求1至4任一所述的基于电液放大的三自由度精密微位移探针，基于电液放大的三自由度精密微位移测量方法包括：将所述探针头压在被测物体上；所述探针头检测被测物体的位移；三个所述连杆分别将所述探针头的位移的分量传递至相应的所述电液放大器；所述电液放大器放大对应的位移的分量；根据所述压电陶瓷输出的电压信号计算出所述探针头的实际位移。

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