CN102998038B - 一种空间三维高精度机械式微力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间三维高精度机械式微力传感器。本发明将三个集成硅基应变片分别安装在三个力柔性传递支路上的集成硅基应变片安装槽中，三个力柔性支路通过卡槽11分别固定在基体上，测力接触动平台安装在三个力柔性传递支路上的测力接触动平台安装槽上，将多维力融合传感器嵌入到基体内，通过面盖和螺钉将其固定在基体的一侧。待测力作用在测力接触动平台上，通过三个力柔性传递支路将弹性变形传递到集成硅基应变片上，并将其转换成电压信号传递至多维力融合处理器中，经融合算法输出待测力的大小和方向，实现空间三维高精度机械式微力传感与检测。

Description

一种空间三维高精度机械式微力传感器

技术领域

本发明涉及一种空间三维高精度机械式微力传感器。

背景领域

具有高精度空间多维微力传感器在现代工业和科研领域占有重要地位，是现代制造业中实现智能化的一个重要环节。它直接影响精密控制系统、MEMS系统及汽车安全系统的性能。空间多维微力传感器在夹持工具、扫描电镜、原子力显微镜、摩擦力显微镜、微精密装配作业控制系统、航空航天、生物医学工程等尖端领域中有着广泛的应用前景。随着MEMS系统、力学显微技术、精密控制等高端技术的飞速发展，对空间多维精密微力传感器的需求越来越迫切。精密控制系统中必须具有重复测量精度为0.1微牛顿、分辨率达到0.01微牛顿的空间多维微力传感器。在MEMS中，随着微型化、精密化程度的提高，一些产品在加工控制过程中，由于苛刻的精密度要求需要研制高精度的数据采集传感器作为其控制基础和支撑。实现微牛顿级的测量精度，常规的力传感器很难达到要求。例如，在原子力学显微镜中测量精度达到几十纳牛顿，通常的方式是采用MEMS工艺制作惠斯通电桥，该电桥应变系数较大，对微力的放大效果和测量精度虽然在理想情况下能达到要求，然而该类传感器是由电气元件所组成，受温度、噪声等环境条件的影响较大，稳定性较差。目前这类空间多维微力传感器主要采用单维微力传感检测或者是由多电路堆积式组成结构形式，由于存在空间耦合作用，使得测量的精度达不到检测要求，难以实现微型化量程，且集成化程度较低。

本发明所涉及的空间三维高精度机械式微力传感器是一种以柔顺并联机构为载体的机械式传感器，对环境变化的敏感性较小、稳定性高，并可实现空间三维高精度机械式微力测量。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明提供一种具有空间三维高精度机械式微力传感器。

本发明克服上述不足所采用的技术方案是：空间三维高精度机械式微力传感器主要由柔顺并联机构模块、集成硅基应变片模块和多维力融合处理模块所组成。柔顺并联机构构成的测力接触动平台(4)在待测力T的作用下，通过组成力柔性传递支路(2)的柔性铰链将待测力所引起的弹性变形传递到集成硅基应变片(3)上，集成硅基应变片通过传感调理电路将弹性变形量转换成电压信号，传递到多维力融合处理器(5)中，将三个配置位置不同的集成硅基应变片传递的电压信号通过融合算法，计算并输出所检测待测力T的大小及方向，达到微力传感检测的目的。

本发明在技术实现过程中主要依据力在柔顺并联机构中传递特性，并采用融合算法来实现。

融合算法的核心为柔顺并联机构动力学方程。根据集成硅基应变片所感知的力柔性传递支路弹性变形量，采用柔顺并联机构动力学逆解求出测力接触动平台所检测的待测力。

[G^H]^TT＝F (1)

G^H-力的影响系数，[G^H]^T-转置矩阵；

T-作用在测力接触动平台上的待测力；

F-集成硅基应变片感应的弹性变形力(相当于柔顺并联机构的驱动力)

$a_1\left\{\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\\ f_3\end{array}\right\}=a_2\left\{\begin{array}{c}{\[0\]}_{3\×6}\\ f\end{array}\right\}---\left(2\right)$

$a_1=\left[\begin{array}{ccc}\frac{-{\mathrm{cos\θ}}_1+\sqrt{3}{C}_1}{2}& \frac{-{\mathrm{cos\θ}}_1-\sqrt{3}{C}_2}{2}& {\mathrm{cos\θ}}_3\\ \frac{\sqrt{3}{\mathrm{cos\θ}}_1+C_1}{2}& \frac{\sqrt{3}\·{\mathrm{cos\θ}}_2+\sqrt{3}{C}_1}{2}& -C_3\\ C_1({\mathrm{\α}}_1\×g_1\·k)& C_2({\mathrm{\α}}_2\×g_2\·k)& C_3({\mathrm{\α}}_3\×g_3\·k)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$a_2=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\sqrt{3}}{2}\×D_2-\frac{\sqrt{3}}{2}\×D_1& \frac{\sqrt{3}}{2}\×E_2& -\frac{\sqrt{3}}{2}\×E_1\\ -\frac{D_1}{2}-\frac{D_2}{2}+D_3& E_3-\frac{E_1}{2}& -\frac{E_1}{2}\\ k^T-D_1({\mathrm{\α}}_1\×u_1\·k)& {(k\×O_c)}^T& -E_1({\mathrm{\α}}_1\×u_1\·k)\\ -D_2({\mathrm{\α}}_2\×u_2\·k)& 0& -E_2({\mathrm{\α}}_2\×u_2\·k)\\ -D_3({\mathrm{\α}}_3\×u_3\·k)& 0& -E_3({\mathrm{\α}}_3\×u_3\·k)\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

$C_i=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-2}}\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{i-2}}\×f_i}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-2}}\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{i-1}}\×u_i}---\left(5\right)$

$D_i=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-2}}}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-2}}\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{i-2}}\×u_i}\∈R^{1\×3}---\left(6\right)$

$E_i=\frac{{(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{i-2}}\×\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-2}})}^T}{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_{i-1}{\mathrm{\α}}_{i-2}}\·\stackrel{\‾}{{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_{i-2}}\×u_i}\∈R^{1\×3}---\left(7\right)$

其中，α、u都是测力接触动平台上的受力点，E_i是弹性模量，i＝1，2，3

F＝kΔx (8)

集成硅基应变片接收力柔性传递支路上的弹性变形，并通过调理电路将其转换为电压信号，传递到多维力融合处理器中，多维力融合处理器根据设置的融合算法推导出待测力的大小和方向。

有益效果：(1)以柔顺并联机构为基体发明了受环境因素影响较小的空间三维高精度机械式微力传感器。(2)应用动力学逆解方程，采用集成硅基应变片将力柔性传递支路弹性变形量转换为电压输出信号，实现待测力空间三维高精度机械式无源传感与检测。(3)应用融合算法开发多维力融合处理器，提高空间三维高精度机械式微力传感器集成化程度。(4)基于柔顺并联机构的微变形特征，实现了空间三维高精度机械式微力传感与测量。(5)多维力融合处理器的开发使用，可提高空间多维微力传感器集成化程度、改善可视化性能，易于使用者观测记录。

附图说明

下面结合附图和实施实例进一步对该发明进行说明。

图1为本发明空间三维高精度机械式微力传感器的拆分示意图。

图2为图1中的一个力柔性传递支路。

图中，1.基体，2，力柔性传递支路，3.集成硅基应变片，4.测力接触动平台，5.多维力融合处理器，6.面盖，7.螺钉，8.u副，9.p副，10.u副，11.卡槽，12.集成硅基应变片安装槽，13.测力接触动平台安装槽

具体实施方式

按照示意图所示，将三个集成硅基应变片分别安装在三个力柔性传递支路上的集成硅基应变片安装槽中，三个力柔性支路通过卡槽11分别固定在基体上，测力接触动平台安装在三个力柔性传递支路上的测力接触动平台安装槽上，将多维力融合传感器嵌入到基体内，通过面盖和螺钉将其固定在基体的一侧。待测力作用在测力接触动平台上，通过三个力柔性传递支路将弹性变形传递到集成硅基应变片上，并将其转换成电压信号传递至多维力融合处理器中，经融合算法输出待测力的大小和方向，实现空间三维高精度机械式微力传感与检测。

Claims (4)

1.一种空间三维高精度机械式微力传感器，其特征在于：包括三个力柔性传递支路(2)，三个集成硅基应变片(3)分别安装在三个力柔性传递支路(2)上集成硅基应变片安装槽(12)中，三个力柔性传递支路(2)分别通过卡槽(11)固定在基体(1)上，测力接触动平台(4)安装在三个力柔性传递支路上的测力接触动平台安装槽(13)上，力柔性传递支路(2)通过集成的柔性铰链将弹性变形量传递到集成硅基应变片(3)上，集成硅基应变片(3)将弹性变形量转换成电压信号，输出到多维力融合处理器(5)中，通过融合算法计算出待测力的大小和方向。

2.根据权利要求1所述一种空间三维高精度机械式微力传感器，其特征在于：利用柔顺并联机构中柔性铰链所组成的力柔性传递支路作为待测力的传感与检测路径，实现空间三维微力分解。

3.根据权利要求2所述一种空间三维高精度机械式微力传感器，其特征在于：空间三维高精度机械式微力传感器采用集成硅基应变片弹性变形感应空间三维待测力大小及方向，实现空间三维任意矢量方向力在线高精度传感与检测。

4.根据权利要求3所述一种空间三维高精度机械式微力传感器，其特征在于：空间三维高精度机械式微力传感器的多维力融合处理器，将三个力柔性传递支路的信息进行融合处理，通过融合算法推导出空间待测力三维矢量方向与大小。