CN101561334B - 三维微触觉力传感器的标定方法 - Google Patents

Abstract

一种三维微触觉力传感器的标定方法，采用悬臂梁弯曲变形原理获得三维微触觉力传感器标定所需的微小力信号；测量悬臂梁的弹性系数；基于已知弹性系数的悬臂梁，建立三维微触觉力传感器的标定系统，通过对传感器施加不同大小的作用力，测量标定系统的输入-输出特性系数；测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性；根据测出的悬臂梁的弹性系数、标定系统的输入-输出特性系数和传感器的测杆位移特性系数，建立数学模型，获得传感器的输入-输出特性系数；根据传感器的零点输出电压值及传感器的输入-输出特性系数，建立传感器的输入-输出特性方程，完成三维微触觉力传感器的标定。本发明可以实现三维微触觉力传感器输出特性的标定，精度高、可靠，重复性好。

Description

三维微触觉力传感器的标定方法 

技术领域

本发明涉及一种传感器的标定方法。特别是涉及一种基于传感器测杆的位移特性对标定过程中传感器测杆位移造成的误差进行补偿的三维微触觉力传感器的标定方法。 

背景技术

随着微米纳米技术和生物技术的迅速发展及微操作/微加工等新兴学科的突飞猛进，微尺度环境下的微力测量已经受到了人们的广泛关注。在生物医学领域的生物力学研究、单细胞操作；航空航天领域的微加工/微操作、微型航天器制造；精密工程领域的扫描探针显微镜等各个方面都存在在微尺度空间内实现微力测量的难题。目前基于微触觉原理的微力传感器已成为国内外多维高精度力传感器中的主流，如意大利微工程中心的三维生物力传感器、匈牙利科学院的三维微力传感器阵列、浙江大学的三维微力传感器等。这类传感器虽然量程较小，但是以其特有的高精度和微小体积在生物医学、航空航天、军事和工业等领域起着不可替代的作用。 

传感器的标定是传感器应用中的一个重要环节，传感器的标定精度直接影响着它的测量精度。为了对三维微触觉力传感器进行准确地标定，研究者们尝试了很多办法，例如采用标准高精度砝码对传感器施加标准的力信号，同时观察传感器的输出电压信号等，但是这种方法操作起来比较繁琐，并且标定精度受砝码精度及外界环境的影响较大，标定过程中传感器与砝码的连接方法也是一个需要解决的难题，影响传感器的标定精度。 

鉴于使用标准高精度砝码对三维微触觉力传感器进行标定的缺点，研究人员提出了使用悬臂梁弯曲变形方法提供标准微小力信号，并结合显微视觉技术对悬臂梁的自由端位移进行测量的方法对传感器的输入-输出特性进行标定，但是显微视觉技术中显微镜的放大倍数却限制了传感器的标定精度。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用悬臂梁弯曲变形提供微小力信号作为标定过程中传感器的负载对三维微触觉力传感器进行标定，结合测出的传感器测杆位移特性对标定过程中由于传感器测杆的位移造成的误差进行补偿的三维微触觉力传感器的标定方法，补偿了三维微触觉力传感器标定过程中的主要误差源，提高了三维微触觉力传感器的标定精度。 

本发明所采用的技术方案是：一种三维微触觉力传感器的标定方法，包括如下步骤： 

(1)采用悬臂梁弯曲变形原理获得三维微触觉力传感器标定所需的微小力信号； 

(2)测量悬臂梁的弹性系数； 

(3)基于已知弹性系数的悬臂梁，建立三维微触觉力传感器的标定系统，通过对传感器施加不同大小的作用力，测量标定系统的输入-输出特性系数； 

(4)测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性； 

(5)根据步骤2测出的悬臂梁的弹性系数，步骤3测出的标定系统的输入-输出特性系数和步骤4中测出的传感器的测杆位移特性系数，建立数学模型，获得传感器的输入-输出特性系数； 

(6)根据传感器的零点输出电压值及传感器的输入-输出特性系数，建立传感器的输入-输出特性方程，完成三维微触觉力传感器的标定。 

步骤(2)中所述的对悬臂梁的弹性系数进行测量，是通过微动平台使悬臂梁自由端产生挠度，然后测量天平受到悬臂梁自由端作用力大小的方式实现的。 

步骤(3)中所述的对传感器施加不同大小的作用力是通过上下移动微动平台使悬臂梁的自由端产生不同大小挠度的方法获得的。 

步骤(4)中传感器测杆位移特性标定过程中测杆的微小位移是通过高精度测量装置纳米测量机获得的。 

通过步骤(4)测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性，通过步骤(6)测量传感器的零点输出电压值，将两个参数引入三维微触觉力传感器的输入-输出特性方程，减小或消除了标定过程中由测杆位移特性和传感器零点输出电压引起的两项主要误差，提高了标定精度。 

本发明的三维微触觉力传感器的标定方法，具有如下特点： 

1、采用悬臂梁弯曲变形原理获得三维微触觉力传感器标定所需的微小力信号，不需要精密、复杂、昂贵的提供标定所需标准力信号的专用仪器设备。 

2、通过微动平台改变悬臂梁自由端的挠度，减小了标定过程中作用在传感器上标准力的步距，与使用高精度标准砝码进行标定的方法相比，作用力的步距减小，提高了标定的精度。 

3、通过对传感器测杆的位移特性进行精密测量，根据这一特性对标定过程中由于传感器测杆的位移造成的误差进行补偿，与使用显微视觉技术直接观察测杆位移的方法相比大大减小了标定误差。 

附图说明

图1是三维微触觉力传感器标定系统的结构示意图； 

图2是悬臂梁弹性系数标定系统的结构示意图； 

图3是传感器测杆位移特性标定系统的结构示意图； 

图4是标定原理分析示意图。 

其中： 

A：气浮平台    B：固定平台 

C：三维微动台    D：一维微动台 

E：固定装置      F：悬臂梁 

G：传感器        H：传感器测杆 

I：信号调理电路  J：数字万用表 

K：CCD摄像机     L：显示器 

1：玻璃片        2：天平载物台 

3：天平          4：纳米测量机 

5：夹持装置      6：微动平台 

具体实施方式

下面结合实施例附图对本发明的三维微触觉力传感器的标定方法做出详细说明。 

本发明的三维微触觉力传感器的标定方法，包括如下步骤： 

(1)采用悬臂梁弯曲变形原理获得三维微触觉力传感器标定所需的微小力信号； 

(2)测量悬臂梁的弹性系数； 

所述的对悬臂梁的弹性系数进行测量，是通过微动平台使悬臂梁自由端产生挠度，然后测量天平受到悬臂梁自由端作用力大小的方式实现的。具体是搭建如图2所示的悬臂梁弹性系数标定系统，测量出传感器标定系统中所用悬臂梁的弹性系数k1。 

(3)基于已知弹性系数的悬臂梁，建立三维微触觉力传感器的标定系统，通过对传感器施加不同大小的作用力，测量标定系统的输入-输出特性系数； 

所述的对传感器施加不同大小的作用力是通过上下移动微动平台使悬臂梁的自由端产生不同大小挠度的方法获得的。 

具体是搭建如图1所示的三维微触觉力传感器标定系统，移动标定系统的微动平台C使悬臂梁F的自由端与传感器测杆H接触，并产生一定大小的挠度，观察传感器G的输出电压，通过测量一系列微动平台C、D位移量和传感器G的输出电压，可以得到标定系统的输入-输出特性系数a。 

(4)测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性； 

传感器测杆位移特性标定过程中测杆的微小位移是通过高精度测量装置纳米测量机获得的。基于高精度纳米测量机搭建出如图3所示的传感器测杆位移特性标定系统，对传感器测杆的位移特性进行测量，得出传感器测杆位移特性系数b。 

(5)根据步骤2测出的悬臂梁的弹性系数，步骤3测出的标定系统的输入-输出特性系数和步骤4中测出的传感器的测杆位移特性系数，建立数学模型，获得传感器的输入-输出特性系数；即，对于标定过程中的传感器综合建模，根据步骤(2)、(3)、(4)中分别求出的悬臂梁的弹性系数k1、输入-输出特性系数a、传感器测杆位移特性系数b，得出传感器准确的输入-输出特性系数m。 

(6)根据传感器的零点输出电压值及传感器的输入-输出特性系数，建立传感器的输入-输出特性方程，完成三维微触觉力传感器的标定。即，根据传感器不受外力作用 时，电桥输出的电压U和步骤(5)中求出的传感器准确的输入-输出特性系数m，得出传感器的输入-输出特性方程。 

通过步骤(4)测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性，通过步骤(6)测量传感器的零点输出电压值，将两个参数引入三维微触觉力传感器的输入-输出特性方程，减小或消除了标定过程中的两项主要误差，提高了标定精度。 

本发明在使用三维微触觉力传感器标定系统对传感器进行标定时，传感器G的测杆与悬臂梁F的自由端发生接触并受到悬臂梁F的自由端力的作用，此时对传感器G受力和变形建立的模型如图4所示。 

当悬臂梁F的固定端通过三维微动平台C向下移动Δx₁时，在悬臂梁F的自由端的作用下，传感器G的测杆沿轴向向下移动的位移为Δx₂，这时悬臂梁F的自由端相对固定端的挠度变化为Δx₁-Δx₂。对传感器G的横向力特性进行标定时，会产生同样的结果。 

若悬臂梁F的弹性系数为k₁，传感器G的刚度为k₂，则在图4中有以下关系式： 

k₁·(Δx₁-Δx₂)＝k₂·Δx₂…① 

传感器测杆受力变化量与悬臂梁自由端挠度变化量之间的关系为： 

ΔF＝k₁·(Δx₁-Δx₂)…② 

传感器力特性标定系统中，悬臂梁固定端的位移变化量Δx₁与传感器输出电压变化量ΔU之间的对应关系为： 

ΔU＝a·Δx₁…③ 

传感器测杆位移特性标定系统中，传感器测杆位移变化量Δx₂与传感器输出电压变化量ΔU之间的对应关系为： 

ΔU＝bΔx₂…④ 

综合上述①、②、③、④四式不难得出传感器输入-输出特性系数： 

$m=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔF}}=\frac{a}{k_1}\·\frac{b}{b-a}$

上式中，a为传感器标定系统的输入-输出特性系数；k1为传感器标定系统中悬臂梁的弹性系数；b为传感器测杆位移特性系数。 

通过传感器标定步骤中的(2)、(3)、(4)中分别求出的悬臂梁的弹性系数k1、输入-输出特性系数a、传感器测杆位移特性系数b，从而可以得出传感器的输入-输出特性系数m，同时结合传感器不受力作用时的输出电压U₀，可以得到传感器的输入-输出特性方程： 

$F=\frac{1}{m}(U-U_0)$

本发明公开和揭示的所有组合和方法可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合和方法已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域的技术人员明显能在不脱离 本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和装置进行拼接和改动，或增减某些部件，更具体地说，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。 

Claims (5)

1.一种三维微触觉力传感器的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用悬臂梁弯曲变形原理获得三维微触觉力传感器标定所需的微小力信号；

(2)测量悬臂梁的弹性系数；

(3)基于已知弹性系数的悬臂梁，建立三维微触觉力传感器的标定系统，通过对传感器施加不同大小的作用力，测量标定系统的输入-输出特性系数；

(4)测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性；

(5)根据步骤(2)测出的悬臂梁的弹性系数，步骤(3)测出的标定系统的输入-输出特性系数和步骤(4)中测出的传感器的测杆位移特性系数，建立数学模型，获得传感器的输入-输出特性系数；

(6)根据传感器的零点输出电压值及传感器的输入-输出特性系数，建立传感器的输入-输出特性方程，完成三维微触觉力传感器的标定。

2.根据权利要求1所述的三维微触觉力传感器的标定方法，其特征在于，步骤(2)中所述的对悬臂梁的弹性系数进行测量，是通过微动平台使悬臂梁自由端产生挠度，然后测量天平受到悬臂梁自由端作用力大小的方式实现的。

3.根据权利要求1所述的三维微触觉力传感器的标定方法，其特征在于，步骤(3)中所述的对传感器施加不同大小的作用力是通过上下移动微动平台使悬臂梁的自由端产生不同大小挠度的方法获得的。

4.根据权利要求1所述的三维微触觉力传感器的标定方法，其特征在于，步骤(4)中传感器测杆位移特性标定过程中测杆的微小位移是通过高精度测量装置纳米测量机获得的。

5.根据权利要求1所述的三维微触觉力传感器的标定方法，其特征在于，通过步骤(4)测量三维微触觉力传感器的测杆位移特性，通过步骤(6)测量传感器的零点输出电压值，将两个参数引入三维微触觉力传感器的输入-输出特性方程，减小或消除了标定过程中由测杆位移特性和传感器零点输出电压引起的两项主要误差，提高了标定精度。

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