CN103983383B - 一种基于柔顺机构的3维微力传感器的敏感元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微力测量的传感器敏感元件，包括具有对称结构的柔顺UPU支链和球形结构组成，支链采用2对对称的第一正圆形柔性铰链和第二正圆形柔性铰链实现U副，2对对称的悬臂梁并联实现移动副，1对切口方向相反的柔性铰链实现输入端的U运动副。传感器的敏感元件包括3个用于将作用力转变为应变的柔性支链结构，3条支链垂直放置，以测量3个垂直方向的力，球形结构感受需测量的外力，球形结构放置于各支链形成的中心。采用空间3-UPU柔顺并联机构作为敏感元件的结构类型，具有3维解耦力传感、灵敏度高和频宽范围大等特点。所设计的微力传感器的敏感元件可用于精密加工与精密测量、纳米科学与技术等领域。

Description

一种基于柔顺机构的3维微力传感器的敏感元件

技术领域

本发明属于精密工程测试领域，尤其涉及应用柔顺机构所设计的精密微力测量器件，所设计的微力传感器的敏感元件可用于精密加工与精密测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域。

背景技术

随着精密工程技术、微机电系统(MEMS)技术及微/纳米技术等的研究，微传感器技术得到极大发展，特别是微力传感器，在各种微操作过程中执行对微接触力的检测，实现力-位移或力-视觉等混合控制，对提高微操作系统的精度起到了重要作用。微力传感器在微观摩擦现象观测、液体表面张力分析以及生物体微组织力测量等领域具有广阔的应用前景。微力传感器在精密加工与精密测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域的作用已越来越重要，应用越来越广泛。但对其要求也越来越高，要求其具有精度高、刚度大、结构紧凑、对称性好、速度高、自重负荷大、动力学性能好等。

目前大多数的微力传感器的敏感元件是悬臂梁结构，结构简单，只能实现1维或2维力的传感。但是，3维微力传感器的敏感元件结构设计较少。微力传感器的敏感元件设计是力传感器应用的关键问题。柔顺机构是采用柔性构件的弹性变形传递和转换运动、力或能量的一种新型结构，柔顺机构具有免摩擦、免润滑、整体化制造、运动灵敏度高等优点，柔顺机构这些优点使得其适合于作为微力传感器的敏感元件，并且可以实现空间多维的微力传感，所以，采用柔顺机构作为敏感元件设计力传感器可以提高其静态和动态性能。

对于较为复杂的空间微力传感器，传感器不仅需要测量某一方向的力，还需要它测量多个方向的力。因此，设计能实现空间多自由度力传感器是有意义的。柔顺并联机构作为一种新型的微力传感结构形式，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高和加工简单等优点，特别适宜用于设计微力传感器的敏感元件。并联机构的特点在一定程度上加强和弥补了柔顺机构的优点与不足，两者的有机结合可满足运动分辨率高、响应快、尺寸小等微力高精度测量要求。并联机构各运动链的布置可以限制这种误差的累积与放大，使其适合作为高精度微力测量的敏感元件；采用并联柔顺机构可增加敏感元件的刚度，且其结构设计更为紧凑，较高的刚度能保证传感器具有较高的测量精度和良好的抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微力测量的传感器敏感元件，基于3-UPU柔顺并联机构设计一种新型的3自由度微力传感器敏感元件，所设计的传感器敏感元件具有刚度大、结构稳定、误差积累小、测量精度高等优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的微力传感器敏感元件包括具有对称结构的支链和金属球组成，微力传感器的敏感元件结构设计原理如图1所示，所述结构为3自由度的柔顺并联机构，它由3条支链组成，每1条支链由UPU运动副顺序组成，U代表万向节，P代表移动副，每1条支链能实现某一方向的力的传感，3条支链可实现3个垂直方向的力的测量。

所述支链如图2所示，采用2对对称的第一正圆形柔性铰链12和第二正圆形柔性铰链13实现U运动副，1对第一柔性铰链4和第二柔性铰链5对称分布于两侧可允许垂直于该柔性铰链切口方向的转动，另1对第三柔性铰链6和第四柔性铰链7对称分布于两侧可允许垂直于该柔性铰链切口方向的转动，这2对柔性铰链切口方向相互垂直，实现了相互垂直的方向的转动，即实现了U副，采用2对对称的悬臂梁第一悬臂梁8、第二悬臂梁9、第三悬臂梁10和第四悬臂梁11并联连接实现P副，采用2对并联式悬臂梁增加敏感元件的强度，由于悬臂梁所受的应变最大，用于将金属球感受到的作用力转变为其应变输出。采用1对切口方向相互垂直的第一正圆形柔性铰链12和第二正圆形柔性铰链13实现输入端的U运动副。

所述传感器的敏感元件如图3所示，敏感元件包括3个用于将作用力转变为应变的柔性支链结构，微力传感器的敏感元件3条支链垂直放置，以测量3个垂直方向的力，其中第一支链17可用于测量X方向的力，第二支链18可用于测量Y方向的力，第三支链19可用于测量Z方向的力，采用球形结构感受需测量的外力，球形结构放置于各支链形成的中心位置。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的3维微力传感器的敏感元件，采用空间3-UPU柔顺并联机构作为结构类型，与传统微力传感器的敏感元件相比，具有高精度、高强度、无累积误差等优点；

(2)本发明的3维微力传感器的敏感元件，3个支链相互垂直放置，并且每1条支链能感受某一方向的力，同时不会影响其他支链的悬臂梁的应变，具有3维解耦力传感特点；

(3)本发明的3维微力传感器的敏感元件，采用悬臂梁的应变作为敏感元件的输出，悬臂梁相对柔性铰链尺寸更小，所测量力使其变形大，具有灵敏度高的特点；

(4)本发明的3维微力传感器的敏感元件，采用3-UPU柔顺并联结构具有高固有频率，具有频宽范围大的特点；

(5)本发明的3维微力传感器的敏感元件，采用2对对称的悬臂梁的应变形成全桥式电路作为输出，具有温度不敏感的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的传感器敏感元件的结构设计原理示意图；

图2是本发明实施例提供的传感器敏感元件的UPU柔顺支链结构示意图；

图3是本发明实施例提供的传感器敏感元件的结构示意图；

图1中，1、连接于固定端的U运动副；2、P运动副；3、连接于输入端的U运动副；

图2中，4、第一柔性铰链；5、第二柔性铰链；6、第三柔性铰链；7、第四柔性铰链；8、第一悬臂梁；9、第二悬臂梁；10、第三悬臂梁；11、第四悬臂梁；12、第一正圆形柔性铰链；13、第二正圆形柔性铰链；14、第一杆件；15、第二杆件；16第三杆件；

图3中，17、第一支链；18、第二支链；19、第三支链；20、金属球；21、第一转换元件粘贴区；22、第二转换元件粘贴区；23、第三转换元件粘贴区；24、第四转换元件粘贴区。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1-图3所示，本发明实施例的基于柔顺机构的3维微力传感器的敏感元件主要由：连接于固定端的U运动副1、P运动副2、连接于输入端的U运动副3；第一柔性铰链4、第二柔性铰链5、第三柔性铰链6、第四柔性铰链7、第一悬臂梁8、第二悬臂梁9、第三悬臂梁10、第四悬臂梁11、第一正圆形柔性铰链12、第二正圆形柔性铰链13、第一杆件14、第二杆件15、第三杆件16；第一支链17、第二支链18、第三支链19、金属球20、第一转换元件粘贴区21、第二转换元件粘贴区22、第三转换元件粘贴区23、第四转换元件粘贴区24组成；

根据如图1所示的微力传感器敏感元件设计原理图，设计的关键在于实现各支链的UPU运动副。如图2所示，为了实现第一个U副，第一柔性铰链4、第二柔性铰链5的切口方向与第三柔性铰链6、第四柔性铰链7的切口方向相互垂直，并且在两根平行的第一杆件14、第二杆件15上切除，形成了两个相互垂直方向的转动副，即形成了U副。为了实现P副，分别在第一杆件14和第三杆件16、第二杆件15和第三杆件16之间联接4个悬臂梁结构，第一悬臂梁8、第二悬臂梁9、第三悬臂梁10、第四悬臂梁11；以在较小测量力作用下输出较大的应变提高敏感元件的灵敏度，同时为了提高结构的强度和温度不敏感性，采用对称的悬臂梁结构。第二个U副在中间的杆件形成两个相互垂直方向的转动副，并将金属球20连接于该杆件顶端。

如图2为了形成柔性铰链和悬臂梁结构在所测量力作用下的变形空间，同时为了结构紧凑，通过在杆件之间切割沟槽的方式实现，即在第一杆件14、第二杆件15和第三杆件16之间切割出13道沟槽。为了测量任意方向的力，采用金属球作为感受外力的结构。由于任意方向的力均可分解为三个相互垂直方向力，如图3所示，将3个支链放置于三个相互垂直方向的位置。

所设计的传感器敏感元件适宜于采用电火花线切割加工技术分别对各个支链进行整体化加工，采用传统加工方法加工金属球。采用焊接技术将各支链与金属球进行装配，提高结构的精确性。对敏感元件粘贴区进行特殊工艺处理，采用应变片嵌入敏感元件粘贴区。

对于转换元件的设计，由于微力传感器的尺寸很小，需要将硅应变片嵌入柔性结构输出端的表层，转换元件的设计需要考虑硅应变片的嵌入位置和数量以提高微力感器的精度。应变片用于测量结构的应变，则应该选择敏感元件应变最大部分作为转换元件的嵌入位置。由于敏感元件的悬臂梁部分产生最大的应变，将硅应变片集成于如图3所示的转换元件粘贴位置，第一转换元件粘贴区21、第二转换元件粘贴区22、第三转换元件粘贴区23、第四转换元件粘贴区24；同时考虑温度对应变片的影响，将应变片对称嵌入于悬臂梁，采用桥式电路输出所测出的应变，作为微力传感器的输出。

微力传感器的材料决定了微力传感器的性能，其材料要求柔而强。柔是指柔度，柔度的好坏决定了微力传感器灵敏度的好坏，即柔度越好，微力传感器灵敏度越高；强是指强度，由于微力传感器测量比较小的力，要求其尺寸较小，为了防止其在工作过程中失效，必须要保证材料的强度极限符合要求。选择柔而强的微力传感器材料，使得其能满足微力传感器的性能要求，选择玻青铜作为传感器制作材料。

通过以上实施方式可较好地实现高精、高灵敏度和温度不敏感的空间3维的微力传感。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于柔顺机构的3维微力传感器的敏感元件，其特征在于，包括具有对称结构的支链和金属球组成，所述支链采用2对对称的第一正圆形柔性铰链和第二正圆形柔性铰链实现U运动副，其中第一柔性铰链和第二柔性铰链对称分布于两侧可允许垂直于该柔性铰链切口方向的转动，另1对柔性铰链第三柔性铰链和第四柔性铰链对称分布于两侧可允许垂直于该柔性铰链切口方向的转动，2对对称的悬臂梁并联实现移动副，2对并联式悬臂梁增加敏感元件的强度，悬臂梁所受的应变最大，将作用力转变为应变输出；所述金属球放置于各支链形成的中心。

2.根据权利要求1所述的3维微力传感器的敏感元件，其特征在于，1对切口方向相反的柔性铰链实现输入端的U运动副。

3.根据权利要求1所述的3维微力传感器的敏感元件，其特征在于，通过并联2对对称的悬臂梁输出4个相同的对应于测量力的应变。

4.根据权利要求1所述的3维微力传感器的敏感元件，其特征在于，所述传感器的敏感元件包括3个用于将作用力转变为应变的解耦柔性支链结构，微力传感器的敏感元件3条支链沿3个相互垂直的方向放置，以测量3个垂直方向的力，其中第一支链用于测量X方向的力，第二支链可用于测量Y方向的力，第三链可用于测量Z方向的力。

5.根据权利要求1所述的3维微力传感器的敏感元件，其特征在于，球形结构感受需测量的外力。