CN106895930A - 一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置 - Google Patents

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Abstract

光电子器件封装过程中，阵列光纤与波导芯片之间相互接触时产生的微力以及微位移是检测的重点，同时也需要考虑在检测过程中阵列光纤与波导芯片之间填充UV胶后所带来的应力及微小位移。一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置是基于悬臂梁结构载荷与应变之间的工作原理而设计的，此传感器具有同时实现对力与位移同时检测的目的。采用悬臂梁结构是因为其结构相对简单，加工比较方便，在较小外力和位移的测量中应用较多，因此采用在悬臂梁上进行优化改进，更易达到结构简单、性能优越、效果较佳的目的。

Description

一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置
技术领域
本发明涉及微弱信号传感技术领域，尤其是一种用于光电子器件封装领域的微力及微小位移传感测量装置。
背景技术
光电子器件封装时，耦合界面上微小的偏移是影响光电子性能的关键因素之一。由于其封装中存在阵列波导芯片与光纤之间间隙难以控制、接触时无法感知力大小的问题，导致光电子器件耦合间距不稳定甚至发生损伤性碰撞，从而使得器件成品率低、性能一致性差。
在实际生产过程中，端面之间的调整首先是实现两个端面之间的准静态接触，通过力检测单元感触到力后，然后在调整两个端面之间的耦合间距，通过位移检测单元把两者之间的间隙控制在10-20微米，才能保证光电子器件既满足损耗低的要求又能满足光电子器件稳定的要求。为了能够更好地量化传感器的参数，需要对光电子器件端面检测，力的检测范围小于1N，位移的范围在0-20微米内。
目前测力传感器主要是压电式力传感器，其工作原理是当力作用于具有压电效应的压电材料上，使得上下两个表面上出现相反的电荷，从而出现电荷差，外力的大小与电荷量成正比，最终实现力电转换的传感器。其优点主要体现在结构简单、体积小、机械强度较好、线性度好；缺点是压电式力传感器适合于对动态力的检测，对于静态力以及准静态力的检测效果不佳。
另外，还有一种霍尔式(磁电式)力传感器在高端机电产品中使用比较广泛，其工作原理是利用基于霍尔效应原理的霍尔元件将力载荷的变化量转化为电动势的输出量，从而求得载荷量的大小。霍尔式传感器作为力传感器的优点主要体现在其体积小、频率响应宽、可靠性高；缺点是其存在转换效率较低、温度影响大等问题。
以上两种力传感器成本较高，测试灵敏度较低，不能同时测量光器件端面接触的最大位移量与最大应变力。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有力与位移传感器存在的探测灵敏度低、制作复杂、成本高等缺点，提供一种悬臂梁结构微力及微小位移传感测量装置。
本发明的具体方案是：一种悬臂梁结构微力及微小位移传感测量装置，具有圆弧弹性铰链，所述圆弧弹性铰链一端与铝合金支架连接，另一端与应变梁连接；所述弹性薄片的一端与应变梁连接，另一端与铝合金支架连接；所述上表面电阻应变片通过AB胶固定在弹性薄片上表面；所述下表面电阻应变片通过AB胶固定在弹性薄片下表面；所述力作用点与应变梁连接；所述定位孔位于铝合金支架四周，用于固定该测量装置。
本发明中所述圆弧弹性铰链厚度为0.2mm，材质为55Si2Mn弹簧钢。
本发明中所述弹性薄片材质为55Si2Mn弹簧钢，厚度为0.2mm，长度为10mm。
本发明中所述应变梁为轻质空心铝合金材质，体积为(长*宽*高)为100mm*10mm*10mm。
本发明中所述上表面电阻应变片和下表面电阻应变片为金属箔式电阻应变片，材料为康铜。
本发明中所述力作用点为铝合金材质矩形突起，与弹性薄片的距离为80mm。
本发明的工作原理是：参见附图1，在矩形应变梁靠近施力点上下两端开正圆弧形槽，即圆弧弹性铰链，作用近似为一固定轴；在另一端设计为一弹性薄片，为应变值最大处。在作用点施加作用力时，使得薄片处应变最大，此处为整个传感器的检测单元。弹性薄片上表面主要受压应力，下表面主要受拉应力，在其上表面和下表面各贴两个电阻应变片。当应变梁发生形变，使得粘贴在弹性薄片上下表面的应变片电阻发生变化，电阻应变片把弹性敏感元件的机械形变转换为电信号。由于应变片电阻变化都非常小，无法直接进行信号处理，因此本装置采用转换电路把电阻的微小变化值转换成电流或者电压的变化值，然后再通过放大电路对信号处理。测量时，弹性薄片受力发生弯曲变形，转换电路中的桥式电路电桥平衡被打破，分别转化为不同电压信号，通过对电信号的测量与分析，得到检测单元和载荷值的大小，达到求解微力及微小位移的目的。
在本发明的新型传感器结构中，圆弧弹性铰链的“U”型圆弧槽薄且间距短，在微小力的作用下，其位移量较小，因此在理论分析中忽略其位移变化，将其近似成一固定轴；水平刚性体相对于“U”型槽厚度及弹性体薄片较厚，相对形变较小，近似看作刚性体；弹性薄片很薄，且水平刚性体发生形变小，因此在分析受力过程中可以忽略弹性薄片对应变的影响。
本发明以传感器结构设计与微小信号检测为研究对象，通过应用传感器技术完成阵列波导芯片与光纤之间接触力以及产生位移的大小的检测分析，最终实现通过测得的信号给自动化装置一个合理的调整结果，使得封装效率得以提高。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其制作方便，成本低，良好的线性度，迟滞性和重复性，灵敏度好。
(2)本装置接入转换电路，能对小位移进行放大后再检测，能减少直接检测带来的误差，提高精确度；
(3)本装置实现了测量最大位移与最大应变重合，使得在相同力作用下，使得力检测时应变值最大化，提高其检测的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的成品示意图；
图3是本发明的力/位移测试图；
图中：1-圆弧弹性铰链，2-力作用点，3-应变梁，4-上表面电阻应变片，5-下表面电阻应变片，6-弹性薄片，7-铝合金支架，8-定位孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
参见附图1-3，一种悬臂梁结构微力及微小位移传感测量装置，具有圆弧弹性铰链(1)，所述圆弧弹性铰链(1)一端与铝合金支架(7)连接，另一端与应变梁(3)连接；所述弹性薄片(6)的一端与应变梁(3)连接，另一端与铝合金支架(7)连接；所述上表面电阻应变片(4)通过AB胶固定在弹性薄片上表面；所述下表面电阻应变片(5)通过AB胶固定在弹性薄片下表面；所述力作用点(2)与应变梁(3)连接；所述定位孔(8)位于铝合金支架(7)四周，用于固定该测量装置。
本实施例中所述圆弧弹性铰链厚度为0.2mm，材质为55Si2Mn弹簧钢。。所述弹性薄片材质为55Si2Mn弹簧钢，厚度为0.2mm，长度为10mm。所述应变梁为轻质空心铝合金材质，体积为(长*宽*高)为100mm*10mm*10mm。所述上表面电阻应变片和下表面电阻应变片为金属箔式电阻应变片，材料为康铜。所述力作用点为铝合金材质矩形突起，与弹性薄片的距离为80mm。
本发明在使用时，将力作用点(2)接触于被测器件端面，上表面电阻应变片(4)和下表面电阻应变片(5)把应变梁(3)的机械形变转换为电信号，转换电路把电阻的微小变化值转换成电流或者电压的变化值，然后再通过放大电路对信号处理。从附图3可以看出，随着被测器件端面压力程度的增大，弹性薄片(6)均值应变值对压力非常敏感。通过电路处理后，测定该装置测试的器件端面位移与力作用点(2)上的受力呈线性关系。
根据附图3的实验结果可知，本发明悬臂梁结构微力及微小位移传感测量装置，具有制作方便，成本低，良好的线性度，迟滞性和重复性，灵敏度高的优点。
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围内。

Claims (6)

1.一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其特征是：一种悬臂梁结构微力及微小位移传感测量装置，具有圆弧弹性铰链，所述圆弧弹性铰链一端与铝合金支架连接，另一端与应变梁连接；所述弹性薄片的一端与应变梁连接，另一端与铝合金支架连接；所述上表面电阻应变片通过AB胶固定在弹性薄片上表面；所述下表面电阻应变片通过AB胶固定在弹性薄片下表面；所述力作用点与应变梁连接；所述定位孔位于铝合金支架四周，用于固定该测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其特征是：所述圆弧弹性铰链厚度为0.2mm，材质为55Si2Mn弹簧钢。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其特征是：所述弹性薄片材质为55Si2Mn弹簧钢，厚度为0.2mm，长度为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其特征是：所述应变梁为轻质空心铝合金材质，体积为(长*宽*高)为100mm*10mm*10mm。
5.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其特征是：所述上表面电阻应变片和下表面电阻应变片为金属箔式电阻应变片，材料为康铜。
6.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构微力及微小位移传感装置，其特征是：所述力作用点为铝合金材质矩形突起，与弹性薄片的距离为80mm。
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