一种累加式纳米步进器位移测量装置和测量方法

本发明涉及纳米步进器或纳米位移平台等高精密位移仪器的位移测量装置和测量方法，尤其适用于极低温、强磁场等极端物理环境中压电纳米步进器的位移测量，属于精密检测仪器领域，主要是一种累加式纳米步进器位移测量装置和测量方法。

背景技术：

1、强磁场、极低温等极端物理环境对探索材料和物质的新异特性等前沿科学研究以及先进纳米制造具有重要的作用，但极低温、强磁场等极端环境的获得常依赖低温杜瓦、磁体、真空腔，所以只能在小尺寸腔体等限定空间中获得。

2、压电纳米步进器具有纳米级步进精度和厘米级宏观尺度的行程，并且它具有低温、强磁场和超高真空兼容性，广泛应用于扫描探针显微镜和精密定位等领域，用于先进制造和前沿科学研究。压电纳米步进器是科学研究和先进制造类精密仪器的一个重要的模块，它的步进性能对此类仪器的精密定位和测量结果有重要的影响。

3、压电纳米步进器通过累加压电陶瓷的微小形变实现步进，它的单步步长常在亚微米甚至纳米量级，超出了光学显微镜、光栅尺、磁栅尺等常用位移测量工具的分辨能力，需要纳米级分辨的位移检测仪器才可以测量。现在压电纳米步进器位移检测装置主要分为两类：第一类是激光干涉仪，激光干涉仪分辨率高量程大可以对压电纳米步进器的步进性能进行测量，但是由于激光干涉仪体积大、组成元器件众多，测量光路的机械回路大，并且容易受到工作环境的温度、湿度和振动的影响，因此，激光干涉仪常用于室温大气等常规环境中，然而在低温、强磁场等小尺寸腔体的极端物理环境中则难以工作。另一类是基于微位移传感器测量元件的测量装置，例如压阻式位移传感器测量元件、电容式位移传感器测量元件、压电式位移传感器测量元件等，这类基于传感器的测量装置体积小、结构简单、环境兼容性好，常用于物体微小形变和微位移的测量。但是由于此类传感器能测量的位移尺度量级比较小，往往不能兼顾高分辨率与大量程，例如，具有纳米级分辨率的微位移传感器，它的量程通常在微米量级，具有毫米级量程的微位移传感器它的分辨率通常只有微米级，因此，不能满足压电纳米步进器纳米分辨和厘米级大行程的测量需求。综上，目前在低温、强磁场、高真空等极端物理环境中还缺少有效的工具检测压电纳米步进器或压电纳米平移台的步进性能。

4、另外，在极端物理环境中压电纳米步进器的性能与室温大气等常规条件下的性能相比有很大的不同，比如低温下压电陶瓷的压电系数大幅减小，组成压电步进器元器件的刚度、弹性摩擦系数，热膨胀系数都会改变，表现出与室温大气下迥异的步进性能，因此，急需有专用的测量工具测量极端物理环境中压电纳米步进器的实际步进性能；基于这些因素，本发明提出一种用于极端环境的纳米步进器位移测量装置和测量方法，该装置的体积小、结构简单、环境兼容性好，可实现低温、强磁场等限定空间中压电纳米步进器纳米级分辨和宏观大位移测量。

技术实现思路

1、为了解决低温、强磁场、超高真空等限定空间极端物理环境中压电纳米步进器位移测量的问题，本发明提出一种累加式纳米步进器位移测量装置和测量方法，可实现极端物理环境中压电纳米平台或压电纳米步进器纳米级分辨和宏观大量程的测量。

2、本发明的技术方案是：一种累加式纳米步进器位移测量装置，包括外框支架、辅助纳米步进器、平整样品块、微形变传感器、待测纳米步进器固定架，所述的外框支架两端分别固定辅助纳米步进器和待测纳米步进器固定架，所述的待测纳米步进器固定架与待测纳米步进器相适应，用来固定待测纳米步进器，所述微形变传感器固定在辅助纳米步进器顶端，并且随辅助纳米步进器一起运动，所述的平整样品块安装在待测纳米步进器的可移动端并且与微形变传感器的位置相对应，随待测纳米步进器一起运动，所述辅助纳米步进器的行走方向与待测纳米步进器的行走方向平行或共线。

3、作为优选， 所述平整样品块具有纳米级或原子级平整的表面，并且该表面与辅助纳米步进器以及待测纳米步进器步进的方向垂直。

4、作为优选，所述平整样品块随待测纳米步进器一起运动并且两者的步进速度和步进位移均相同。

5、作为优选，所述微形变传感器随辅助纳米步进器一起运动且两者的步进速度和步进位移均相同。

6、作为优选，所述辅助纳米步进器是线性纳米步进器，可以细分步进。

7、作为优选，所述的微形变传感器为压阻式或压电式或电容式或光杠式的具有纳米分辨率的形变传感器或位移传感器。

8、本发明同时提供了一种采用所述的累加式纳米步进器位移测量装置的测量方法，包括下述步骤：

9、1)维持待测纳米步进器静止，通过外电路控制辅助纳米步进器向待测纳米步进器逼近，从而带动微形变传感器向平整样品块靠近，直至微形变传感器与平整样品块发生相互作用并且微形变传感器的测量值达到预先设定的值，辅助纳米步进器停止步进；

10、2) 维持辅助纳米步进器静止，通过外电路控制待测纳米步进器向远离或靠近辅助纳米步进器的方向步进预先设定的步数，从而带动平整样品块远离或逼近微形变传感器，记录待测纳米步进器在此阶段行走过程中微形变传感器的值；

11、3）维持待测纳米步进器静止，通过外电路控制辅助纳米步进器沿与待测纳米步进器相同或相反的方向步进，直至微形变传感器的测量值恢复到初始设定值；

12、4）不断重复步骤2）～步骤3）过程，直至待测纳米步进器的位移测量结束；

13、5）把步骤2）过程中微形变传感器的测量值分段进行累加，即把上一段结束时的测量值作为下一段的起始值，依次累加，进而得到待测纳米步进器的宏观大尺度的位移。

14、作为优选，在步骤2）～步骤4）过程中，所述微形变传感器的测量值在自身有效量程范围内。

技术特征：

1.一种累加式纳米步进器位移测量装置，其特征在于，包括外框支架、辅助纳米步进器、平整样品块、微形变传感器、待测纳米步进器固定架，所述的外框支架两端分别固定辅助纳米步进器和待测纳米步进器固定架，所述的待测纳米步进器固定架与待测纳米步进器相适应，用于安装固定待测纳米步进器；所述微形变传感器固定在辅助纳米步进器顶端，所述的平整样品块安装在待测纳米步进器的可移动端并且与微形变传感器的位置相对应，所述辅助纳米步进器的行走方向与待测纳米步进器的行走方向平行或共线，所述平整样品块随待测纳米步进器一起运动并且两者的步进速度和步进位移均相同，所述微形变传感器随辅助纳米步进器一起运动且两者的步进速度和步进位移均相同。

2.根据权利要求1所述的一种累加式纳米步进器位移测量装置，其特征在于，所述平整样品块具有纳米级或原子级平整的表面，并且该表面与辅助纳米步进器以及待测纳米步进器步进的方向垂直。

3.根据权利要求1所述的一种累加式纳米步进器位移测量装置，其特征在于，所述辅助纳米步进器是线性纳米步进器。

4.根据权利要求1所述的一种累加式纳米步进器位移测量装置，其特征在于，所述的微形变传感器为压阻式或压电式或电容式或光杠式的具有纳米分辨率的形变传感器或位移传感器。

5.一种利用权利要求1所述的累加式纳米步进器位移测量装置实现的纳米步进器位移测量方法，其特征在于，所述测量方法包括下述步骤：

6.根据权利要求5所述的纳米步进器位移测量方法，其特征在于，在所述步骤2）～步骤4）过程中，所述微形变传感器的测量值在自身有效量程范围内。

7.根据权利要求5所述的纳米步进器位移测量方法，其特征在于，在所述步骤2）过程中，需实时记录待测纳米步进器行走过程中微形变传感器的测量值。

技术总结
本发明涉及一种累加式纳米步进器位移测量装置和测量方法，该装置包括外框支架、辅助纳米步进器、平整样品块、微形变传感器、待测纳米步进器固定架，所述外框支架两端分别固定辅助纳米步进器和待测纳米步进器固定架，所述待测纳米步进器固定架与待测纳米步进器相适应，所述微形变传感器固定在辅助纳米步进器顶端，所述的平整样品块安装在待测纳米步进器的可移动端并且与微形变传感器的位置相对应，所述辅助纳米步进器的行走方向与待测纳米步进器的行走方向平行或共线。该装置可实现低温、强磁场、超高真空等限定空间极端物理环境中压电纳米位移台或压电纳米步进器步进位移的纳米级分辨和宏观大量程测量。

技术研发人员：夏志刚,李旭阳,张晶晶,张亮亮
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23