CN102353483A

CN102353483A - 三向微小力学信号检测装置

Info

Publication number: CN102353483A
Application number: CN2011101902057A
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 万顺光; 黄虎; 张镇鹏; 张鹏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明涉及一种三向微小力学信号检测装置，属于高精密检测设备。该装置采用整体线切割方式加工，无装配连接环节，主要由XYZ三向力加载作用台、八根支撑架、十字横梁、固定座、XYZ三向力检测弹性体、XYZ三向力检测电阻应变片组成；三向力加载作用台由上部四根支撑架通过薄弱弹性体连接，十字横梁由上下八根支撑架通过薄弱弹性体连接，下部四根支撑架通过XY向力检测弹性体固定在底端固定座上，Z向力检测弹性体位于十字横梁中间。本发明的优点在于能够实现XYZ三方向力同时检测，Z向检测精度为10毫牛，XY向精度为1毫牛。各向力影响较小，且减小了解耦的难度。整个装置能够在精密设备上的力学信号检测上得以应用，尤其适用于多维加载的需要。

Description

三向微小力学信号检测装置

技术领域

本发明涉及高精密设备的微小灵敏力检测设备，特别涉及一种集三维力学信号、微小力学信号检测为一体的高灵敏度的三向微小力学信号检测装置，能够实现三自由度毫牛级力学信号检测。

背景技术

随着微机电系统（MEMS）技术、纳米工程、微小精密加工技术的飞速发展，对其配套的检测装置的要求也越来越高，国外对微小力的测量研究已经非常深入，测量的量级已经达到皮牛的级别。同时对多维力的测量的研究也趋于成熟，我国国内高校对多维力测量研究也取得了相当多的成果，浙江大学的王宣银教授，燕山大学赵永生教授等提出了利用Stewart平台对广义六维力进行测量，试验效果也非常理想。针对测量原理，有研究人员利用PVDF薄膜等压电材料的压电效应进行力学信号检测，但这种检测方法存在负载能力不强，要求加载频率较高等局限，所以利用电阻应变片检测力学信号原理仍被普遍采用。

微小力学传感器在在微观力学测试、超精密加工、微定位等方面有着广阔的应用前景。微机电系统（MEMS）技术、纳米工程是近年来国内外研究的热点，作为配套的检测系统的研究也受到重视。近些年来，国内外对微纳米压痕/划痕、微纳拉伸、复合载荷装置的力学测试的研究发展很快，对微小多维力传感器的要求也越来越高，如何使传感器的测量精度提高的同时增加其测量力的维数的问题亟待解决。同时在多维力测量中各向力之间的干扰一直是制约传感器灵敏度的一个难题。因此有必要开发出新的检测方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三向微小力学信号检测装置，解决了现有技术存在的负载能力不强、要求加载频率较高，在多维力测量中各向力之间的干扰，以及如何使传感器的测量精度提高的同时增加其测量力的维数等问题。

本发明提出一种将多维力测量、微小力测量集成的检测装置，而且各向力影响较小，其中Z向力对X、Y向电阻应变片的输出可以忽略，减小了解耦的难度。对微机电检测系统、精密定位加工技术、微纳测试与加工等领域的研究有着重要的意义。本发明采用整体线切割加工，所有零部件无连接装配环节，大大提高了检测精度，减小了外力干扰，有效的避免了装配应力。同时在力学检测中现有传感器大多只能实现单一方向或两个方向的力学检测，在微小量级上的多自由度检测装置研究甚少，本发明在实现微小检测的同时实现了三向力检测，Z向检测采用变形传导的方式使中间横梁变形实现检测。同时各向力之间影响很小，减小了解耦的难度。本发明在微纳压痕/划痕、微纳拉伸、复合载荷装置的力学测试、多自由度精密加工、表面雕刻加工的力学检测反馈上有着广阔的应用前景。本发明主要由XYZ三向力加载作用台、起支撑作用的八根支撑架、十字横梁、底端固定座、XYZ三向力检测弹性体、XYZ三向力检测电阻应变片组成。用于每向力测量的四片电阻应变片组成惠斯通电桥进行测量。装置能够实现Z向10毫牛量级，XY向1毫牛级灵敏度的测量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

三向微小力学信号检测装置，包括X向力检测机构、Y向力检测机构及Z向力检测机构，所述X向力检测机构包括下支撑架Ⅰ、Ⅲ 4a、4c、X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b及X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b，X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b分别设置在下支撑架Ⅰ、Ⅲ 4a、4c的底部；该下支撑架Ⅰ、Ⅲ 4a、4c的底端分别与固定座5连接，上端分别与上支撑架Ⅰ、Ⅲ 2a、2c及十字横梁3连接，该上支撑架Ⅰ、Ⅲ 2a、2c分别通过薄弱弹性体与XYZ三向力加载作用台1连接，施加Z向力时该薄弱弹性体传导Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）变形；

所述Y向力检测机构包括下支撑架Ⅱ、Ⅳ 4b、4d、Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 7a、7b及Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 10a、10b，该Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 7a、7b分别设置在下支撑架Ⅱ、Ⅳ 4b、4d的底部；该下支撑架Ⅱ、Ⅳ 4b、4d的底端分别与固定座5连接，上端分别与上支撑架Ⅱ、Ⅳ 2b、2d及十字横梁3连接，该上支撑架Ⅱ、Ⅳ 2b、2d分别通过薄弱弹性体与XYZ三向力加载作用台1连接，施加Z向力时该薄弱弹性体传导Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）变形；

所述Z向力检测机构包括十字横梁3、Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 8a、8b及Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b，Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 8a、8b分别设置于十字横梁3中间，该十字横梁3分别与上支撑架Ⅰ~Ⅳ 2a~2d及下支撑架Ⅰ~Ⅳ 4a~4d连接。

所述的X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b分别粘贴在X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b的内外表面上；Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 10a、10b 分别粘贴在Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 7a、7b的内外表面上；Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b分别粘贴在Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 8a、8b的内外表面上。应变片为敏感元件，当外力作用在XYZ三向力加载作用台1上使三向力检测弹性体产生弹性变形时，粘贴在其上的应变片随之产生形变，根据电工学原理，应变片电阻发生改变，经惠斯通桥路转换成电压变化，其中X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b、Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 10a、10b贴在圆弧形弹性体的内外表面，Z向力检测检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b贴在十字横梁上弹性体的内外表面。

所述的检测装置采用整体线切割方式加工，无装配连接环节，能够有效保证检测精度。

本发明各向力影响较小，其中Z向力对XY向电阻应变片的输出可以忽略，减小了解耦的难度。Z向检测精度为10毫牛级，XY向精度为1毫牛级。所述薄弱弹性体有两个作用:一是作为上支撑架Ⅰ~Ⅳ 2a~2d与XYZ三向力加载作用台1的连接体；二是施加Z向力时传导弹性体变形。

所述的上支撑架Ⅰ~Ⅳ 2a~2d、下支撑架Ⅰ~Ⅳ 4a~4d、十字横梁3有两个作用:一是增加整个装置的刚性，使结构稳定；二是传递三向力，使其变形传导到各个力检测弹性体上。

本发明通过对XYZ三向力加载作用台1施加载荷，经过装置结构对力的传导，使各向力检测弹性体发生形变，随着弹性体的变形其电阻应变片的电阻产生变化输出电压信号，从而对力值进行检测。

本发明的技术效果是：能够实现XYZ三方向力的同时检测，其中Z向检测精度为10毫牛级，XY向检测精度为1毫牛级。各向力影响较小，其中Z向力对XY向电阻应变片的输出可以忽略，减小了解耦的难度。本发明在微纳压痕/划痕、微纳拉伸、复合载荷装置的力学测试、多自由度精密加工、表面雕刻加工的力学检测反馈上有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的X向力检测电阻应变片固定在弹性体上的位置示意图。

图3是本发明的Y向力检测电阻应变片固定在弹性体上的位置示意图。

图4是本发明的Z向力检测电阻应变片固定在弹性体上的位置示意图。

图5 是本发明的电阻应变片惠斯通电桥接线方式示意图。

图中：ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ

1、XYZ三向力加载作用台； 2a、上支撑架Ⅰ； 2b、上支撑架Ⅱ；

2c、上支撑架Ⅲ； 2d、上支撑架Ⅳ； 3、十字横梁；

4a、下支撑架Ⅰ； 4b、下支撑架Ⅱ； 4c、下支撑架Ⅲ；

4d、下支撑架Ⅳ； 5、底端固定座； 6a、X向力检测弹性体Ⅰ；

6b、X向力检测弹性体Ⅱ； 7a、Y向力检测弹性体Ⅰ； 7b、Y向力检测弹性体Ⅱ；

8a、Z向力检测弹性体Ⅰ； 8b、Z向力检测弹性体Ⅱ； 9a、X向力检测电阻应变片Ⅰ；

9b、X向力检测电阻应变片Ⅱ； 10a、Y向力检测电阻应变片Ⅰ；

10b、Y向力检测电阻应变片Ⅱ； 11a、Z向力检测电阻应变片Ⅰ；

11b、Z向力检测电阻应变片Ⅱ。

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，本发明的三向微小力学信号检测装置，包括X向力检测机构、Y向力检测机构及Z向力检测机构，所述X向力检测机构包括下支撑架Ⅰ、Ⅲ 4a、4c、X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b及X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b，X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b分别设置在下支撑架Ⅰ、Ⅲ 4a、4c的底部；该下支撑架Ⅰ、Ⅲ 4a、4c的底端分别与固定座5连接，上端分别与上支撑架Ⅰ、Ⅲ 2a、2c及十字横梁3连接，该上支撑架Ⅰ、Ⅲ 2a、2c分别通过薄弱弹性体与XYZ三向力加载作用台1连接，施加Z向力时该薄弱弹性体传导Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）变形；

参见图2至图5，所述的X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b分别粘贴在X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b的内外表面上；Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 10a、10b 分别粘贴在Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 7a、7b的内外表面上；Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b分别粘贴在Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 8a、8b的内外表面上。应变片为敏感元件，当外力作用在XYZ三向力加载作用台1上使三向力检测弹性体产生弹性变形时，粘贴在其上的应变片随之产生形变，根据电工学原理，应变片电阻发生改变，经惠斯通桥路转换成电压变化，其中X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b、Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 10a、10b贴在圆弧形弹性体的内外表面，Z向力检测检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b贴在十字横梁上弹性体的内外表面。

参见图1至图5，本发明的具体工作过程如下：

初始状态时，装置不发生形变，X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b、Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 10a、10b 、Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b经惠斯通桥路连接后输出电压为零。当施加Z向力时，各薄弱弹性体将力传导到十字横梁3上，使十字横梁3的各梁处于拉伸状态，从而Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 8a、8b发生形变带动Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 11a、11b变形，通过惠斯通电桥输出电压，检测相应的力值。由于此时顶端薄弱弹性体变形很大，X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b、Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 7a、7b变形可以忽略，从而对其电压输出不产生影响；当施加X向力时，由于十字横梁3起到的固定支撑作用，使结构的受力变形全部转移到X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 6a、6b上使其变形，带动X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ 9a、9b变形，通过惠斯通电桥输出电压，检测相应的力值。Y向力检测弹性体（7a）（7b）由于在X向力作用下处于刚性状态，因而Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ 7a、7b变形可以忽略，对其电压输出没有影响。

施加Y向力与施加X向力时结构工作原理完全相同。

Claims

1.一种三向微小力学信号检测装置，其特征在于：包括X向力检测机构、Y向力检测机构及Z向力检测机构，所述X向力检测机构包括下支撑架Ⅰ、Ⅲ（4a、4c）、X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（6a、6b）及X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ（9a、9b），X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（6a、6b）分别设置在下支撑架Ⅰ、Ⅲ（4a、4c）的底部；该下支撑架Ⅰ、Ⅲ（4a、4c）的底端分别与固定座（5）连接，上端分别与上支撑架Ⅰ、Ⅲ（2a、2c）及十字横梁（3）连接，该上支撑架Ⅰ、Ⅲ（2a、2c）分别通过薄弱弹性体与XYZ三向力加载作用台（1）连接，施加Z向力时该薄弱弹性体传导Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）变形；

所述Y向力检测机构包括下支撑架Ⅱ、Ⅳ（4b、4d）、Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（7a、7b）及Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ（10a、10b），该Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（7a、7b）分别设置在下支撑架Ⅱ、Ⅳ（4b、4d）的底部；该下支撑架Ⅱ、Ⅳ（4b、4d）的底端分别与固定座（5）连接，上端分别与上支撑架Ⅱ、Ⅳ（2b、2d）及十字横梁（3）连接，该上支撑架Ⅱ、Ⅳ（2b、2d）分别通过薄弱弹性体与XYZ三向力加载作用台（1）连接，施加Z向力时该薄弱弹性体传导Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）变形；

所述Z向力检测机构包括十字横梁（3）、Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）及Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ（11a、11b），Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）分别设置于十字横梁（3）中间，该十字横梁（3）分别与上支撑架Ⅰ~Ⅳ（2a~2d）及下支撑架Ⅰ~Ⅳ（4a~4d）连接。

2.根据权利要求1所述的三向微小力学信号检测装置，其特征在于：所述的X向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ（9a、9b）分别粘贴在X向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（6a、6b）的内外表面上；Y向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ（10a、10b）分别粘贴在Y向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（7a、7b）的内外表面上；Z向力检测电阻应变片Ⅰ、Ⅱ（11a、11b）分别粘贴在Z向力检测弹性体Ⅰ、Ⅱ（8a、8b）的内外表面上。

3.根据权利要求1或2所述的三向微小力学信号检测装置，其特征在于：所述的检测装置采用整体线切割方式加工。