CN102322984A - 多种类型微载荷检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多种类型微载荷检测装置，属于超精密加工和力学性能测试领域。包括固定单元、接触单元和敏感单元；固定单元包括连接板和联接螺钉；接触单元包括接触元件和螺母；敏感单元包括绝缘胶层、弹性元件、导电胶和PVDF压电薄膜。当载荷作用于接触元件时，在载荷作用下弹性元件将发生弹性变形，导致与其粘连的PVDF压电薄膜产生形变，依据压电材料的压电特性，PVDF压电薄膜表面将产生电荷，电荷放大器等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。通过采集的电信号，可以实现多种类型微载荷的检测。本发明主要是通过弹性元件结构的特点，从而可测出多种类型的微载荷。同时可以进行不同量级多种类型载荷的检测。

Description

多种类型微载荷检测装置

技术领域

本发明涉及超精密加工和力学性能测试领域，特别涉及一种多种类型微载荷检测装置。可应用于超精密加工技术及装备、精密光学以及航空航天等领域，特别是微载荷检测和微纳米尺度力学性能测试等技术领域，本发明可实现多种类型载荷的检测，在表面形貌检测、微纳力学测试等领域具有良好的应用前景。

背景技术

近年来，随着微电子学、生物医学、光学、数据存储、超精密机械及其制造等学科的迅猛发展，人们对多种类型微载荷进行同时检测提出了越来越高的要求。传统的微载荷检测通常是仅能检测一个方向或是一种性质的微载荷，这么做不仅降低了工作效率，而且还不能对很多复杂的微载荷进行检测。如果对一个含有多种类型的微载荷分别进行单一检测再整合，这样会产生很大的误差，不利于反映出实验现象所揭示的载荷对试件作用结果。此外，在微载荷的检测领域可同时进行多种类型微载荷检测一直是其技术难题，从而直接制约了微小载荷的性能测试、半导体技术等领域的发展，限制了现代制造业的整体水平。因此，有必要设计一种既能微载荷检测，又能对多种类型微载荷进行同时检测的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多种类型微载荷检测装置，解决了传统的微载荷检测通常是仅能检测一个方向或是一种性质的微载荷，工作效率低，而且还不能对很多复杂的微载荷进行检测；单一检测再整合误差大，制约了微小载荷的性能测试、半导体技术等领域的发展，限制了现代制造业的整体水平等问题。本发明具有可测的最小载荷数量级小、可同时检测多种类型的载荷、高灵敏度等特点，能够在微小载荷情况下对电荷进行放大、采集、分析，实现微小载荷的检测；同时，利用弹性元件的结构特点又能对多种类型的微载荷同时进行检测。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

多种类型微载荷检测装置，可以实现拉压力、扭矩复合载荷力测试，包括固定单元、接触单元和敏感单元；所述的固定单元包括连接板2和联接螺钉5；所述的接触单元包括接触元件1和螺母8；所述的敏感单元包括绝缘胶层3、弹性元件4、导电胶6和PVDF压电薄膜7；其中，接触元件1通过螺母8与弹性元件4联接，接触元件1的螺纹部分穿过弹性元件4中央的孔并通过螺母8对其紧固；弹性元件4通过螺钉5紧固在连接板2的上面，弹性元件4与连接板2中间设有绝缘胶层3；绝缘胶层3具有良好的绝缘性能，可防止由微载荷作用而产生的电荷不被连接板2吸收。PVDF压电薄膜7通过导电胶6粘附在弹性元件4的上面。导电胶6具有良好的导电性能，并且其粘附时没有空隙，可实现加载变形时产生的电荷易于被采集。

所述的PVDF压电薄膜7采用串联结构，相对两端的PVDF压电薄膜7的极性相同，相邻两端的PVDF压电薄膜7的极性相反。PVDF压电薄膜7在微小变形下可产生电荷，产生的电荷量与其受到外界载荷作用力的大小密切相关，利用这一关系可通过测试其产生的电荷量来实现对微小载荷力信号的检测。PVDF压电薄膜7粘附于弹性元件4的上面，当弹性元件4弹性变形时，PVDF压电薄膜7表面产生电荷，当弹性元件4弹性变形恢复时，PVDF压电薄膜7因变形而产生的电荷消失。

弹性元件4是“十”字形梁的结构，这种结构可以承受多种类型的微载荷、承载能力好。可以在多方向微加载情况下产生变形，进而引起与其粘附的PVDF压电薄膜7产生变形。弹性元件4位于接触元件1和螺母8之间，当有载荷作用于接触元件1，弹性元件4随着载荷的加入而变形，载荷撤销之后，弹性元件4恢复原来形状。

本发明的多种类型微载荷检测装置通过连接板2与其他定位装置联接，当载荷作用于接触元件1时，使弹性元件4发生弹性变形，引起与其粘连在一起的PVDF压电薄膜6发生形变，根据压电材料的特性，PVDF压电薄膜7的表面产生电荷，通过电荷放大器等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。通过对采集的电信号分析，可以实现多种类型微载荷的检测。

本发明的积极效果是：当载荷作用于弹性元件时，弹性元件将产生弹性变形，引起与其粘附的PVDF压电薄膜产生形变，并在其表面产生电荷，通过电荷放大器等一系列的处理采集电信号，分析比较采集的电信号，最后可得到所检测的载荷的性质和大小，实现多种类型微载荷的检测。由于弹性元件的结构特点，可同时检测多种类型的载荷；又由于PVDF压电薄膜的材料性能，可检测微小载荷；从而测出多种类型的微载荷。同时通过不同厚度、不同尺寸的弹性元件检测不同量级多种类型载荷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构剖视示意图；

图3为本发明的弹性元件结构示意图；

图4为本发明的PVDF压电薄膜电路连接示意图，其中A为电极的一端，B为电极的另一端；

图5为本发明的使用实施例结构示意图；

图6为本发明中等效电路模型图；

图7、图8及图9为本发明加载情况下工件变形示意图，其中C为变形前工件，D为变形后工件。

图中：1.接触元件    2.连接板    3.绝缘胶层    4.弹性元件    5.联接螺钉6.导电胶    7PVDF压电薄膜    8.螺母

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6，本发明的多种类型微载荷检测装置，可以实现拉压力、扭矩复合载荷力测试，包括固定单元、接触单元和敏感单元；所述的固定单元包括连接板2和联接螺钉5；所述的接触单元包括接触元件1和螺母8；所述的敏感单元包括绝缘胶层3、弹性元件4、导电胶6和PVDF压电薄膜7；其中，接触元件1通过螺母8与弹性元件4联接，接触元件1的螺纹部分穿过弹性元件4中央的孔并通过螺母8对其紧固；弹性元件4通过螺钉5紧固在连接板2的上面，弹性元件4与连接板2中间设有绝缘胶层3；绝缘胶层3具有良好的绝缘性能，可防止由微载荷作用而产生的电荷不被连接板2吸收。PVDF压电薄膜7通过导电胶6粘附在弹性元件4的上面。导电胶6具有良好的导电性能，并且其粘附时没有空隙，可实现加载变形时产生的电荷易于被采集。

所述的PVDF压电薄膜7采用串联结构，相对两端的PVDF压电薄膜7的极性相同，相邻两端的PVDF压电薄膜7的极性相反。PVDF压电薄膜7在微小变形下可产生电荷，产生的电荷量与其受到外界载荷作用力的大小密切相关，利用这一关系可通过测试其产生的电荷量来实现对微小载荷力信号的检测。PVDF压电薄膜7粘附于弹性元件4的上面，当弹性元件4弹性变形时，PVDF压电薄膜7表面产生电荷，当弹性元件4弹性变形恢复时，PVDF压电薄膜7因变形而产生的电荷消失。

弹性元件4是“十”字形梁的结构，这种结构可以承受多种类型的微载荷、承载能力好。可以在多方向微加载情况下产生变形，进而引起与其粘附的PVDF压电薄膜7产生变形。弹性元件4位于接触元件1和螺母8之间，当有载荷作用于接触元件1，弹性元件4随着载荷的加入而变形，载荷撤销之后，弹性元件4恢复原来形状。

本发明的多种类型微载荷检测装置通过连接板2与其他定位装置联接，当载荷作用于接触元件1时，使弹性元件4发生弹性变形，引起与其粘连在一起的PVDF压电薄膜6发生形变，根据压电材料的特性，PVDF压电薄膜7的表面产生电荷，通过电荷放大器等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。通过对采集的电信号分析，可以实现多种类型微载荷的检测。

本发明的具体工作过程如下：

初始状态：没有载荷作用于接触元件1时，系统处于自由状态。对接触元件1加载，由于接触元件1通过螺母8与弹性元件4连接在一起，这样弹性元件4受载荷作用产生弹性变形，与弹性元件4粘附在一起的PVDF压电薄膜7表面随弹性元件的变形而发生变形；PVDF压电薄膜7受载荷变形表面产生电荷，在微载荷情况下电荷变化很小，装置需通过电荷放大器对电荷进行放大，放大后的电荷通过信号采集器进行采集，最后将采集的信号经A/D转换传输到电脑中，通过分析采集的电信号，实现多种类型微载荷的检测。当卸下载荷时，没有载荷作用于接触元件1，弹性元件4变形恢复到初始状态。弹性元件4为可更换元件，根据特定载荷要求可更换为不同厚度、不同尺寸的弹性元件，可实现对不同量级的多种类型载荷的检测。

PVDF压电薄膜7在受到载荷作用时产生形变，根据压电效应PVDF压电薄膜7表面产生电荷。所受的载荷性质不同时产生电荷的极性也不同。当接触元件1表面受正压力F时，PVDF压电薄膜7上表面受压下表面受拉如图7所示；当接触元件1表面受正拉力力F时，PVDF压电薄膜7上表面受拉下表面受压如图8所示；接触元件1表面受横向载荷作用时可将其等效为扭转弯矩M，当横向载荷方向不同时其作用点两侧PVDF压电薄膜7上下表面所受拉、压不同，图9为其中一种形式。其压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，并且材料体内之电偶极矩会因受力而发生变化，压电材料为抵抗这种变化，所以压电材料受力作用时，压电材料两端面会出现异号电荷。

在进行多种类型微载荷检测时，载荷F作用于于压电元件，在相应的表面上将产生电荷，即：Q＝d_ijF                         (1)

式中Q——表面电荷；d_ij——压电常数。

d_ij为压电常数，其中下标i为产生极化电荷的面法线方向，当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)，记做i＝1(2或3)；下标j为此方向施加的作用力，j＝1、2、3为沿x轴、y轴、z轴方向的正应力，j＝4、5、6为垂直于x轴、y轴、z轴的平面内的切应力。将机械拉伸方向定为x方向，外加极化电场(即垂直于薄膜试样表面)方向取为z方向，位于薄膜内，且与x和z都垂直的方向定为y方向。

由压电方程：q＝d_ijσ                (2)

式中：q——电荷表面密度(C/m²)σ——单位面积上的作用力(N/m²)

将压电元件在任意受力状态下各个方向的压电方程联合写成压电方程组的形式，表示如下：

q_xx＝d₁₁σ_xx+d₁₂σ_yy+d₁₃σ_zz+d₁₄τ_yz+d₁₅τ_zx+d₁₆τ_xy

q_yy＝d₂₁σ_xx+d₂₂σ_yy+d₂₃σ_zz+d₂₄τ_yz+d₂₅τ_zx+d₂₆τ_xy               (3)

q_zz＝d₃₁σ_xx+d₃₂σ_yy+d₃₃σ_zz+d₃₄τ_yz+d₃₅τ_zx+d₃₆τ_xy

式中：q_xx，q_yy，q_zz——在垂直于x轴、y轴和z轴的表面上产生的电荷密度；

σ_xx，σ_yy，σ_zz——沿x轴、y轴和z轴方向作用的拉应力或压应力；

τ_yz，τ_zx，τ_xy——在yz平面、zx平面、xy平面内作用的切应力。

将方程用矩阵形式表示：

$\left[\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{xx}}\\ q_{\mathrm{yy}}\\ q_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{d}_{11}& d_{12}& d_{13}& d_{14}& d_{15}& d_{16}\\ d_{21}& d_{22}& d_{23}& d_{24}& d_{25}& d_{26}\\ d_{31}& d_{32}& d_{33}& d_{34}& d_{35}& d_{36}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

压电常数矩阵即为：

$D=\left[\begin{array}{cccccc}{d}_{11}& d_{12}& d_{13}& d_{14}& d_{15}& d_{16}\\ d_{21}& d_{22}& d_{23}& d_{24}& d_{25}& d_{26}\\ d_{31}& d_{32}& d_{33}& d_{34}& d_{35}& d_{36}\end{array}\right]---\left(5\right)$

对于不同的压电材料，压电系数矩阵中各项具有特定的值。PVDF薄膜通常用单向拉伸或双向拉伸改善其机械特性和压电特性，经单向拉伸后再极化，其压电常数矩阵为：

$D=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& d_{15}& 0\\ 0& 0& 0& d_{24}& 0& 0\\ d_{31}& d_{32}& d_{33}& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(6\right)$

每一块粘附于弹性元件的PVDF压电薄膜的长、宽、高分别为l、w、h；表面面积为A。在压电常数矩阵中，d₁₅＝d₂₄，其绝对值比d₃₁、d₃₃小近两个数量级，在实际应用时将其忽略不计，即d₁₅＝d₂₄≈0，不考虑切应力的作用；由于PVDF压电薄膜非常薄，所以将PVDF压电薄膜3方向(垂直于薄膜表面)的压电效应d₃₃忽略不计；又因为粘附在弹性元件的PVDF压电薄膜的宽度小且压电常数d₃₂自身也很小。同样d₃₂忽略不计，仅考虑沿x轴拉伸方向的压电效应。于是得到PVDF压电薄膜表面电荷计算公式：

Q＝∫d₃₁σdA                   (7)

根据应力定义有：

$\mathrm{\σ}=\frac{2}{\mathrm{wh}}{\∫}_0^{h/2}{\mathrm{\σ}}_1\mathrm{dA}---\left(8\right)$

式中：σ₁——横截面正应力，N/m²。

弹性变形中由虎克定律与变形几何关系，可得：

$\mathrm{\σ}=\mathrm{E\ϵ}=E\frac{y}{\mathrm{\ρ}}---\left(9\right)$

式中：E——PVDF压电薄膜弹性模量；

ε——PVDF压电薄膜应变；

ρ——中性层的曲率半径。

梁的曲率公式为：

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{M}{{\mathrm{EI}}_Z}---\left(10\right)$

式中：M——弯矩N·m；

I_Z——截面对z轴的惯性矩，m⁴。

由(9)，(10)可得横截面上的正应力计算公式：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{M}{I_Z}y---\left(11\right)$

z轴为中性轴，有：

$I_z=\frac{{\mathrm{wh}}^3}{12}---\left(12\right)$

将(11)，(12)带入(8)中得到：

$\mathrm{\σ}=\frac{2}{\mathrm{wh}}{\∫}_0^{h/2}\frac{M}{I_Z}y\·w,\mathrm{dy}=\frac{\mathrm{MH}}{{4I}_Z}=\frac{3M}{{\mathrm{wh}}^2}---\left(13\right)$

将(13)带入(7)，可得PVDF压电薄膜表面电荷计算公式为：

$Q=\frac{{3d}_{31}}{{\mathrm{wh}}^2}{\∫}_0^l\mathrm{MdA}---\left(14\right)$

将力矩公式M(x)＝F(l-x)带入上式，整理得到PVDF压电薄膜所受外力与表面产生电荷的关系公式为：

$Q=\frac{{3d}_{31}}{{\mathrm{wh}}^2}{\∫}_0^{l}F(l-x)\·\mathrm{wdx}=\frac{{3d}_{31}{l}^{2}F}{{2h}^2}---\left(15\right)$

PVDF压电薄膜的等效电路模型是一个和容性阻抗并联的电荷等效电路。考虑压电元件内部及其在其他介质中存在电荷泄放，同时计入PVDF压电薄膜的等效电阻R_a和电容C_a，电缆的分布电容C_c的影响；由于PVDF压电薄膜的内阻性很高，而输出点的信号非常微弱，不能直接采集和检测，必须经过电荷放大器将电荷信号转换为电压信号才能做后续的信号处理和输出。电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈高增益的运算放大器，计入电荷放大器的输入阻抗R_i、C_i等损耗。根据电路的有关知识，可得到经电荷放大器放大后PVDF压电薄膜输出电压：

式中：C＝C_a+C_a+C_i，K_f为电荷放大器的开环增益，C_f为放大器反馈电容，U_i为电荷放大器的等效输入电压，U₀为电荷放大器的输出电压。

将式(15)代入(16)，当(K_f+1)C_f＞＞C时，且当电荷放大器的系数K_f→∞时，可认为与电缆长度无关，式(16)可简化为

U₀＝-3d₃₁l²F/2h²C_f

结合上述理论，通过对电信号的处理、采集以及分析测得的曲线和相关数据，可分析出被测载荷的性质、各区域受力等情况。

Claims (3)

1.一种多种类型微载荷检测装置，其特征在于：包括固定单元、接触单元和敏感单元；所述的固定单元包括连接板（2）和联接螺钉（5）；所述的接触单元包括接触元件（1）和螺母（8）；所述的敏感单元包括绝缘胶层（3）、弹性元件（4）、导电胶（6）和PVDF压电薄膜（7）；其中，接触元件（1）通过螺母（8）与弹性元件（4）联接，接触元件（1）的螺纹部分穿过弹性元件（4）中央的孔并通过螺母（8）对其紧固；弹性元件（4）通过螺钉（5）紧固在连接板（2）的上面，弹性元件（4）与连接板（2）中间设有绝缘胶层（3）； PVDF压电薄膜（7）通过导电胶（6）粘附在弹性元件（4）的上面。

2.根据权利要求1所述的多种类型微载荷检测装置，其特征在于：所述的PVDF压电薄膜（7）采用串联结构，相对两端的PVDF压电薄膜（7）的极性相同，相邻两端的PVDF压电薄膜（7）的极性相反。

3.根据权利要求1所述的多种类型微载荷检测装置，其特征在于：所述的弹性元件（4）是“十”字形梁的结构。

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