硬盘磁头弹性臂静态姿态激光测量方法的研究

本文介绍了一种基于激光干涉测长和三角正弦原理的硬盘弹性臂弯曲角度测量系统,该系统将角度的测量转换为测量干涉光路中光程差变化的线位移,并通过相应电路对干涉条纹进行处理,从而实现了对大角度的测量。与以往类似系统相比,该系统具有结构简单、测量精度高、测角范围大、易于数字化等特点。

1、前言

硬盘磁头弹性臂静态姿态测量是硬盘生产过程中的关键工序，传统上主要的测量方法有:利用光栅莫尔条纹现象的光栅角度传感器、码盘测角;利用电磁原理工作电磁传感器如电容式角度和角位移传感器、感应同步器、磁栅式传感器测角等等。但是,在有些情况下, 传统的测量方法和技术对大角度或角位移进行高精度测量不能很好地满足要求。众所周知,干涉技术在精密测量中已获得了非常广泛的应用,特别是激光的出现及激光技术的发展,使这项技术在精密测量中的应用突破了以往由于缺乏高亮度、单色性好的光源的局限性,大大地促进了干涉仪在测量中的应用, 从而使利用光波干涉技术进行测量逐渐成为科研与生产中精密测量的主要手段之一。再者，由于薄片零件很薄 ,在接触力的作用下会变形而产生很大的测量误差 ,所以只能用非接触方法进行检测。角度可以表示为长度之比,长度的变化可以用激光干涉条纹数的变化来表示,因此，本文提出了一种基于激光干涉测长技术的非接触式测角系统对硬盘磁头弹性臂的弯曲情况进行测量,并对其系统构成和测量原理进行相应的分析。

2、系统介绍

利用激光干涉技术测量弯曲角度的系统很多。一般地,此类系统主要由激光器、干涉仪、光电探测器及信号处理电路和显示打印系统组成,图1是此类系统的组成原理框图。

3、测量原理

该角度干涉仪是利用激光干涉测位移和三角正弦原理来测量角度的仪器。如图2所示，激光器１发出的激光光束经移动式转向反射镜２反射至分光器３，激光束被分成两路。一路沿光路a射向参考镜5，一路沿光路b经五棱镜４转向，射向目标角锥棱镜6，然后这两束光按原路返回分光器3并产生干涉。角锥棱镜5、6被固定在旋转工作台7上。测量时，把目标镜与被测对象固联，参考镜固定不动，当目标镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当被测对象移动时，光电探测器将接收条纹的移动并通过后级电路将其转换为电脉冲,通过可逆计数系统对脉冲计数以达到计量角度的目的。

测量时，一束激光经分光器3被分成两束，它们经参考镜5和目标镜6后沿原路返回，并在分光点O处重新相遇，则两束光的光程差为

Δ1＝２n（L2-L1）

式中，n为空气的折射率，L2为目标镜6到分光点O的距离，L1为参考镜5到分光点 O的距离。测量结束时，目标镜6移过H后，处于6′的位置。此时两光束的光程差为

Δ２＝２n（L2＋H－L1）＝２nH＋Δ１

在测量开始和结束这段时间里，光程差的变化量

dΔ＝Δ２－Δ１＝２nH

光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一次，则测量过程中与dΔ 相对应的干涉条纹变化次数

K＝dΔ/λ０＝２nH/λ０

式中，λ０为激光光波中心波长。

测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被测长度H。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开始时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测长度H相对应的条纹数K。可把上式写为

H＝Kλ/２

式中，λ＝λ０／n，λ 是激光光波在空气中的波长。若已知目标镜转动半径R，便可根据三角正弦关系求出被测角a

α＝arcsinH／R

式中，R为棱镜转动半径。

这种装置的测量范围可达95°，测量精度可达±0.3″。

由于我们要测量的硬盘磁头弹性臂的弯曲角度大于95度，所以采用测量其补角的方式，最终的测量结果为α′=180º- arcsinH／R。

4、测量精度

影响本系统测量精度的主要因素有：角锥棱镜有效面积、激光波长的测量误差、空气折射率的测量误差等，下面分别就这几方面做一简要分析。

一是角锥棱镜的有效面积。由图2可知，角锥棱镜5、6在工作台上的安装会产生误差，目标镜6在转动时也会产生运动误差，在工作过程中由于环境温度的改变而造成工作台的热涨冷缩等，都会导致入射光束与角锥棱镜不垂直，从而引起测量误差。为提高测量精度，在安装角锥棱镜时，或者在调整分光器位置时，要做到精确定位，尽量做到入射光与棱镜垂直;同时，尽量保持测量环境恒温，防止热胀冷缩，也可以减小此类误差。

二是激光波长。由本测角系统测量结果的表达式可知，激光波长对测量结果精度有十分明显的影响，为了提高测量精度，我们可以考虑在激光光源处采用稳频器，提高激光器输出频率的稳定性，从而降低激光波长测量的误差。

三是空气折射率。空气折射率的影响是任何测量系统都不可避免的,因此需要精确地测定环境空气的折射率,减少对周围空气的扰动以减少湍流的产生,尽量避免由此而成的干涉条纹的抖动而造成的计量误差。

综合以上各因素，并通过实验验证，本测角系统的测量精度可达±0.3″，基本满足硬盘磁头弹性臂弯曲角度测量的精度要求。

5、结语

应用激光干涉理论对激光角度测量原理进行了分析，提出了一种基于激光干涉测长原理的硬盘磁头弹性臂静态姿态测量系统，并建立了弹性臂弯曲角度测量的数学模型。

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硬盘磁头弹性臂静态姿态激光测量方法的研究

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