CN101435690B - 应变式微纳米级微纳米位移传感器 - Google Patents

Abstract

应变式微纳米级微纳米位移传感器，其特征是设置由各刚性杆体和柔性铰链构成的检测单元具有杠杆式位移量一级放大机构和位移量二级放大机构，本发明通过多级放大，使弹性体上的应变片能够检测到被测物体的移动，并通过外部信号采集和处理设备，获得检测结果。本发明具有高集成度、小体积、低能耗、高精度、低成本的优势，其结构简单、灵敏度高、易标定、可靠性好。

Description

应变式微纳米级微纳米位移传感器

技术领域

本发明涉及位移测量装置，更具体地说是一种微纳米级位移测量装置。

背景技术

随着工业和科学研究的迅速发展，目前人类正在积极开展和进行微观领域的学术研究和实际应用，随着原子力显微镜的发明，使制造业向着微、纳米级别靠近，这就对传统的信息获取手段和技术提出了更高要求。就微位移测试系统来说，目前用于获取微位移的微位移传感器的主要结构结构形式有：

光学传感器，即激光干涉仪，激光干涉薄膜等，是应用光学原理进行测量，此类技术现在已经成熟，分辨率可以达到1nm左右。但是，其相对高昂的价格和需要较大的空间以放置装置设备，对于大规模应用于工业、教学和科研等领域受到了极大的限制。

化学传感器，利用化学反应测量位移，此种传感器抗干扰能力差，响应频率低，还没有能够大规模适用于生产和科研。

电容传感器，电容传感器具备很高的分辨率和响应频率，而且在实际生产和科研中有一定的应用，但是电容传感器中的电容膜片加工工艺要求严格，极容易产生加工制造误差，进而影响传感器的精度，电容传感器的行程小，线性度差，这一点也影响了其使用范围。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结构紧凑、空间需求小、分辨率高、量程大、线性度高而且制造加工成本较低的应变式微纳米级位移测量装置及测量方法。以期能够广泛应用于原子力显微镜操作平台等一系列微纳米级别的实验台中，作为重要的位移信息获取手段。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明应变式微纳米级微纳米位移传感器的结构特点是设置由各刚性杆体和柔性铰链构成的检测单元为：

位移量一级放大机构，具有呈“L”形设置的一级杠杆，其一级短杆为输入臂，其一级长杆为输出臂，其与固定座连接的短杆端柔性铰链为一级支点，一级被测位移量形成在一极短杆上，以其与二级放大机构连接的长杆端柔性铰链为被测位移量一级输出端；

位移量二级放大机构，具有直杆段杠杆，其一端以直杆端柔性铰链与固定座连接，另一端是与多自由度构件相连接的弹性体；以直杆端柔性铰链为二级支点，长杆端柔性铰链到二级支点的距离为短臂，以长杆端柔性铰链到弹性体的距离为长臂；

多自由度构件，具有一段连接在弹性体的另一端、作为直杆段杠杆的延伸的承接杆，承接杆以其杆端柔性铰链呈“L”形连接基座杆，基座杆的杆端通过基座柔性铰链连接在固定座上；

信号检测机构，是在弹性体上设置应变片。

本发明应变式微纳米级位移传感器的结构特点也在于：

呈“T”形设置作用杆，两组检测单元在同一水平面上分处于所述作用杆的两侧，对称设置；“T”形作用杆上水平杆的两杆端分别通过作用杆柔性铰对称连接在位移量一级放大机构中的短杆上，形成“T”形左右对称检测单元。

“T”形左右对称检测单元在立面上分层设置；各层间的作用杆为联动杆。。

本发明通过多级放大，使弹性体上的应变片能够检测到被测物体的移动，并通过外部信号采集和处理设备，获得检测结果。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明具有高集成度、小体积、低能耗、高精度、低成本的优势，其结构简单、灵敏度高、易标定、可靠性好。

附图说明

图1为本发明检测单元结构示意图。

图2为本发明形成“T”形左右对称检测单元结构示意图。

图3为本发明具体实施方式结构示意图。

图4为传感器信息获取中应变片组桥的示意图。

图5为传感器信息获取示意图。

图6为传感器信号采集与处理流程图。

图中标号：11一级短杆、12一级长杆、13短杆端柔性铰链、14长杆端柔性铰链；21直杆段杠杆、22直杆端柔性铰链；3弹性体；41承接杆、42杆端柔性铰链、43基座杆、44基座柔性铰链；5作用杆；6顶板；7外框；8定位孔。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例中由各刚性杆体和柔性铰链构成的检测单元具体结构设置为：

设置位移量一级放大机构，具有呈“L”形设置的一级杠杆，其一级短杆11为输入臂，其一级长杆12为输出臂，其与固定座连接的短杆端柔性铰链13为一级支点，一级被测位移量形成在短杆11上，以其与二级放大机构连接的长杆端柔性铰链14为被测位移量一级输出端；

设置位移量二级放大机构，具有直杆段杠杆21，其一端以直杆端柔性铰链22与固定座连接，另一端是与多自由度构件相连接的弹性体3；以直杆端柔性铰链22为二级支点，长杆端柔性铰链14到二级支点的距离为短臂，以长杆端柔性铰链14到弹性体3的距离为长臂；

设置多自由度构件，具有一段连接在弹性体3的另一端、作为直杆段杠杆21的延伸的承接杆41，承接杆41以其杆端柔性铰链42呈“L”形连接基座杆43，基座杆43的杆端通过基座柔性铰链44连接在固定座上；

设置信号检测机构，在弹性体3上设置应变片。

具体实施中，可以采用形成“T”形左右对称检测单元的结构形式，如图2所示，呈“T”形设置作用杆5，两组检测单元在同一水平面上分处于作用杆5的两侧，对称设置；“T”形作用杆上水平杆的两杆端分别通过作用杆柔性铰51对称连接在位移量一级放大机构中的一级短杆11上，形成“T”形左右对称检测单元。

整个检测单元可以设置为以外框7为固定座的立面结构，如图3所示，将“T”形左右对称检测单元在立面上分层设置；各层间的作用杆5以顶板6作为联动体，由顶板6带动各层面上的作用杆发生位移，使各层面上的检测单元同时工作，此时由于存在多组应变片，所以传感器精度可以得到大幅提高。可以在外框7上设置定位孔8，由定位孔8将传感器固定在需要进行测试的平台上，安装十分方便。

具体实施中相应的结构设置和动作原理也包括：

位移量一级放大机构、位移量二级放大机构、弹性体和多自由度构件均为一体式结构，选用的材料为35CrMnSi；以各柔性铰链和各刚体杆件作为行程放大机构，各柔性铰链为储能元件同时传递各杆件处的作用力；弹性体3的厚度很薄，杆端柔性铰链42和基座柔性铰链44作为从动机构，并提供弹性体3的水平和竖直方向上的自由度；

柔性铰链是通过材料的弹性形变来工作的，因此选用的材料要有良好的弹性恢复性能及刚度。欲使柔性铰链能产生较大的变形，从材料的角度就要有较大的强度极限与弹性模量比。35CrMnSiA合金钢具有最高的强度极限与弹性模量比，尤其适合于制作高精度的弹性敏感元件，材料密度ρ＝8.23kg/m³，泊松比μ＝0.28。

通过调节柔性铰链的自身参数和与其相连接的杠杆的位置可以调整微位移的放大倍数，例如，在图1中，设置一级长杆12为15mm，一级短杆11为4mm，位移输入端位置在一级短杆的正中间；直杆段杠杆的21的长度为15mm，其中长杆端柔性铰链14与直杆端柔性铰链22的距离为3mm；承接杆41和基座杆43的长度均为3mm。此时放大比K为，一级放大 $K_1=\frac{15}{2}=7.5;$ 二级放大 $K_2=\frac{12+3}{3}=5,$ 总放大比K＝K₁×K₂＝37.5，也就是当位移输入端的位移输入δ为δ＝5μm，在弹性体3的上端位移输出为：

S＝K×δ＝37.5×5[μm]＝187.5[μm]

检测原理：

图1所示，由一级短杆11接收被测位移量，带动短杆端柔性铰链13转动，由于杠杆原理，在长杆端柔性铰链14的位置处起到一级放大，放大比可以通过设置柔性铰链与杆件之间的相对位置进行调节；长杆端柔性铰链14的位移量进一步在位移量二级放大机构中得到放大；应变片的变形量由弹性体3提供；应变片输出的模拟信号经由外部放大设备进行信号放大，数据采集并进行处理、降噪后输入到终端显示设备。

参见图4，应变片按图4方式组成惠斯通电桥。在外加电压的作用下，当电桥的应变片电阻由于膜片的变形而发生变化时，惠斯通全桥的输出电压会相应发生改变，且电压的变化与输入的位移成线性关系，通过测量电桥的输出电压即可得到位移信息。

参见图5，传感器信号处理电路部分工作流程图

传感器电路部分包括测量电路板和数字硬件电路板两部分组成，其中信息获取是从传感器上粘贴的应变片组成的惠斯通电桥上取得的，当传感器上的应变片发生应变时，应变电桥有信号输出，这些信号表示了传感器所采集到的位移信息。测量电路板主要是实现信号的调零、放大以及滤波功能。

测量电路板所输出的信号为模拟信号，不能直接应用在上位机中，所以需要一块数字硬件电路板用于实现模数转换、数字滤波、数值计算等功能以及用于与上位机通讯的通讯接口。

图6所示为系统软件总体设计流程

采集的位移信息经过信号调理后，进行A/D转换和必要的数据处理后，通过总线进行数据传输；因此传感器的软件设计主要有数据采集程序(A/D转换)、数据处理程序以及通讯接口程序三大部分组成。

传感器必须具有实现数据采集、数字滤波以及数据传输等功能。这样系统上电复位后，进行系统的初始化工作，然后等待上位机的命令。当接收到上位机的命令后，首先进行命令判断，判断接收到的是清零处理命令还是发送数据命令。如果接收到的是一条清零命令就进行逻辑清零处理，即复位到当前的零点，以消除不同零点值对数据的影响，并发送所测位移信息以显示清零完成；如果接收到的是一个发生数据命令，则发送所测的位移信息。这里数据采集采用T1定时中断的方式，实现位移信息数据采集以及A/D转换，在采用过程中进行平滑处理以及实现数据的实时更新；并在系统等待上位机的命令过程中不断进行数据处理，接收到命令后立即发送数据。

Claims (3)

1.应变式微纳米级微纳米位移传感器，其特征在于检测单元由位移量一级放大机构、位移量二级放大机构、多自由度构件(4)和信号检测机构组成；位移量一级放大机构，具有呈“L”形设置的一级杠杆，其一级短杆(11)为输入臂，其一级长杆(12)为输出臂，其与固定座连接的短杆端柔性铰链(13)为一级支点，一级被测位移量形成在一级短杆(11)上，以其与二级放大机构连接的长杆端柔性铰链(14)为被测位移量一级输出端；位移量二级放大机构(2)，具有直杆段杠杆(21)，其一端以直杆端柔性铰链(22)与固定座连接，另一端是与多自由度构件相连接的弹性体(3)；以所述直杆端柔性铰链(22)为二级支点，长杆端柔性铰链(14)到二级支点的距离为短臂，以长杆端柔性铰链(14)到弹性体(3)的距离为长臂；多自由度构件(4)，具有一段连接在所述弹性体(3)的另一端、作为直杆段杠杆(21)的延伸的承接杆(41)，承接杆(41)以其杆端柔性铰链(42)呈“L”形连接基座杆(43)，基座杆(43)的杆端通过基座柔性铰链(44)连接在固定座上；所述信号检测机构是在所述弹性体(3)上设置应变片。

2.根据权利要求1所述的应变式微纳米级位移传感器，其特征是呈“T”形设置作用杆(5)，两组检测单元在同一水平面上分处于所述作用杆(5)的两侧，对称设置；所述“T”形作用杆上水平杆的两杆端分别通过作用杆柔性铰(51)对称连接在所述位移量一级放大机构(1)中的短杆(11)上，形成“T”形左右对称检测单元。

3.根据权利要求1所述的应变式微纳米级位移传感器，其特征是所述位移量一级放大机构、位移量二级放大机构、多自由度构件和应变片为一体式结构，并以35CrMnSi为材质。

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