CN109827680B - 一种基于cmos传感器的三维高灵敏度测微力计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，是在由上盖板和圆筒体形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元；测力单元为一片铍铜簧片，其具有外固定环和通过弹性梁相连的中心盘面，铍铜簧片利用外固定环支撑在上盖板上，在中心盘面的上表面测力探头，在中心盘面的下表面设置第一平面反射镜，第一平面反射镜的反射面水平向下；感测单元是在圆筒形内腔中设置激光器、第二平面反射镜、聚焦透镜和CMOS传感器；激光器的出射光依次经由第二平面反射镜和第一平面反射镜反射后入射到聚焦透镜，聚焦后的出射光入射至CMOS传感器的感光面，以CMOS传感器的输出信号为测微力计的输出检测信号。本发明灵敏度高、量程可调、测量分辨率高、精度高。
Description
技术领域
本发明属于高精度微小力测量领域，更具体地说是一种基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计。
背景技术
近年来，微机电器件(MEMS)得到了很大的发展，应用范围越来越广。为了评估MEMS器件的性能需要使用高精度的微纳米探头才能实现，而精确确定高精度微纳米探头的力学参数则需要使用高精度的测微力计来实现。此外，高精度的测微力计还可应用于精密称重，例如药品成分分析等，应用较为广泛。
现有技术中的测力计，如应变式力传感器，其灵敏度较低，且易受温度和湿度影响，加工成本高；MEMS测力计的检测精度高，但是其加工成本高，输出信号弱，易受测试环境温度的影响，对于后处理电路有着很高的要求；光纤布拉格光栅(FBG)测力计可以实现很高的灵敏度，但是检测精度取决于后处理的解调过程，达到高精度需要的成本较高；此外，还有磁电式测力计，该种测力计检测范围小，对于测量环境要求较高，易受环境电磁干扰的影响，且制作工艺复杂。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，以期实现高精度的微力检测，同时具有量程可调、结构简单、成本低、免调节以及装调方便等优势。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点是在由上盖板和圆筒体形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元；
所述测力单元为一片铍铜簧片，所述铍铜簧片具有外固定环和中心盘面，在所述外固定环和中心盘面之间由弹性梁相连，所述铍铜簧片利用其外固定环支撑在上盖板上，在其中心盘面的上表面利用上固定盘安装测力探头，在所述铍铜簧片的中心盘面的下表面利用下固定盘设置第一平面反射镜，所述第一平面反射镜的反射面水平向下；
所述感测单元是在所述圆筒形内腔中分别设置激光器、第二平面反射镜、聚焦透镜和CMOS传感器；所述激光器的出射光依次经由第二平面反射镜和第一平面反射镜反射后，入射到聚焦透镜进行聚焦，聚焦后的出射光入射至CMOS传感器的感光面，以所述CMOS传感器的输出信号为测微力计的输出检测信号。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：所述铍铜簧片中的弹性梁设置为轮辐型、四弹性梁型或六弹性梁型，用于实现不同的微力测量范围和测量灵敏度。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：将所述测力探头的顶端设置为立方体，所述立方体的顶面和四个侧面，共计五个面都能够作为接触面进行微力检测，用于实现多维微力检测。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：设置所述激光器的出射光以45°角入射到第二平面反射镜；所述第二平面反射镜中的出射反射光是以45°角入射到第一平面反射镜；所述第一平面反射镜中的反射光垂直入射至聚焦透镜，聚焦后的光线入射到CMOS传感器的感光面上；以CMOS传感器的输出信号为测微力计的输出检测信号。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：所述CMOS传感器包括传感器本体和感光面，当外界温度变化或者其他因素影响使初始入射到感光面上的光点发生偏移时，根据CMOS传感器的输出信号确定感光面上的光点当前位置，并以所述光点当前位置作为坐标零点进行数据处理，实现自调零功能。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：在所述圆筒体的外侧壁上，按设定的位置和角度设置切面，使测力计能够按设定的姿态进行固定，实现设定方向上的测力。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：根据测力范围和灵敏度的要求，选定所述弹性梁的形状，和/或调整所述铍铜簧片的厚度。
本发明基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计的特点也在于：所述感测单元中的CMOS传感器能够替换为四象限光电感测器QPD或位置敏感检测PSD，在不改变光路的情况下，用于实现更高的检测精度或者更宽范围的微力检测，拓宽其应用范围。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明可以实现微力检测；
2、本发明使用铍铜簧片作为弹性部件，可以通过更换不同形状或厚度的铍铜簧片以达到多量程；
3、本发明采用CMOS传感器作为感测器件，光路简单、成本低，且检测精度高；
4、本发明采用CMOS传感器作为感测器件，通过后处理系统能实现自动调零，因此无需设置调零机构，提高了测微力计的稳定性。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图2为本发明中圆筒体结构示意图；
图3a、图3b和图3c为本发明中可选用的不同形式的铍铜簧片示意图；
图4为本发明针对竖向力的测量原理示意图；
图中标号：1上盖板，2圆筒体，2a切面，3铍铜簧片，3a外固定环,3b中心盘面，3c弹性梁，4a上固定盘，4b下固定盘，5测力探头，5a立方体，6第一平面反射镜，7激光器，8第二平面反射镜，9聚焦透镜，10为CMOS传感器。
具体实施方案
参见图1和图4，本实施例中基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计是在由上盖板1和圆筒体2形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元。
测力单元为一片铍铜簧片3，铍铜簧片3具有外固定环3a和中心盘面3b，在外固定环3a和中心盘面3b之间由弹性梁3c相连，铍铜簧片3利用其外固定环3a支撑在上盖板1上，在其中心盘面3b的上表面利用上固定盘4a安装测力探头5，在铍铜簧片3的中心盘面3b的下表面利用下固定盘4b设置第一平面反射镜6，第一平面反射镜6的反射面水平向下。
感测单元是在圆筒形内腔中分别设置激光器7、第二平面反射镜8、聚焦透镜9和CMOS传感器10；激光器7的出射光依次经由第二平面反射镜8和第一平面反射镜6反射后，入射到聚焦透镜9进行聚焦，聚焦后的出射光入射至CMOS传感器10的感光面，以CMOS传感器10的输出信号为测微力计的输出检测信号。
具体实施中，铍铜簧片3中的弹性梁3c可以设置为如图3a所示的轮辐型、如图3b所示的六弹性梁型，或如图3c所示的四弹性梁型，用于实现不同的微力测量范围和测量灵敏度。
图1所示将测力探头5的顶端设置为立方体5a，立方体5a的顶面和四个侧面，共计五个面都能够作为接触面进行微力检测，用于实现多维微力检测。
综合考虑测微力计灵敏度和加工难度，设置激光器7的出射光以45°角入射到第二平面反射镜8；第二平面反射镜8中的出射反射光是以45°角入射到第一平面反射镜6；第一平面反射镜6中的反射光垂直入射至聚焦透镜9，聚焦后的光线入射到CMOS传感器10的感光面上；以CMOS传感器的输出信号为测微力计的输出检测信号。
本实施例中，CMOS传感器10包括传感器本体和感光面，当外界温度变化或者其他因素影响使初始入射到感光面上的光点发生偏移时，根据CMOS传感器10的输出信号确定感光面上的光点当前位置，并以光点当前位置作为坐标零点进行数据处理，实现自调零功能。
具体实施中，相应的技术措施也包括：
在圆筒体2的外侧壁上，按设定的位置和角度设置切面2a，使测力计能够按设定的姿态进行固定，实现设定方向上的测力；根据测力范围和灵敏度的要求，选定弹性梁3c的形状，和/或调整铍铜簧片1的厚度；感测单元中的CMOS传感器10可以替换为四象限光电感测器QPD或位置敏感检测PSD，在不改变光路的情况下，用于实现更高的检测精度或者更宽范围的微力检测，拓宽其应用范围。
本实施例中，具体可选用的CMOS传感器为：Basler acA4600-10uc(Basler Co.)，其性能参数如表1所示。
表1
| 靶面尺寸 | 1/2.3寸 |
| 水平/垂直分辨率 | 4608×3288 |
| 分辨率 | 14MP |
| 帧速率 | 10fps |
本发明通过采用不同规格的铍铜簧片，最小可实现0.6mN/μN的测力，最小量程为0.58mN—4mN，最大量程可达到3—24mN的测力，表2所示为铍铜簧片参数。
表2
如图4所示，当在立方体5a上施加竖向力，铍铜簧片3在其中心盘面处产生竖向微小位移，带动第一平面反射镜形在竖向移动。
如图4所示，在进行竖向力的测量时，将圆筒体2呈直立放置，使立方体5a的顶上向上，为受力面；当立方体5a在顶面受到竖向力时，第一平面反射镜6随着铍铜簧片的形变产生竖向移动，CMOS传感器10接收到的光点将产生移动，通过电路转换可以测得竖向力的大小。若测微力计由于温度以及其他外界因素造成入射在CMOS传感器的感光面上的光点位置发生偏移，则通过程序处理确定光点的新的中心位置，并以该新的中心位置为初始零点进行检测，实现自动调零；对于一个确定的CMOS敏感面尺寸，可以确定合适的光斑直径，以确保光斑不会因为漂移而跑出CMOS的敏感面。
Claims (6)
1.一种基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，其特征是在由上盖板(1)和圆筒体(2)形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元；
所述测力单元为一片铍铜簧片(3)，所述铍铜簧片(3)具有外固定环(3a)和中心盘面(3b)，在所述外固定环(3a)和中心盘面(3b)之间由弹性梁(3c)相连，所述铍铜簧片(3)利用其外固定环(3a)支撑在上盖板(1)上，在其中心盘面(3b)的上表面利用上固定盘(4a)安装测力探头(5)，在所述铍铜簧片(3)的中心盘面(3b)的下表面利用下固定盘(4b)设置第一平面反射镜(6)，所述第一平面反射镜(6)的反射面水平向下；
所述感测单元是在所述圆筒形内腔中分别设置激光器(7)、第二平面反射镜(8)、聚焦透镜(9)和CMOS传感器(10)；所述激光器(7)的出射光依次经由第二平面反射镜(8)和第一平面反射镜(6)反射后，入射到聚焦透镜(9)进行聚焦，聚焦后的出射光入射至CMOS传感器(10)的感光面，以所述CMOS传感器(10)的输出信号为测微力计的输出检测信号；
设置所述激光器(7)的出射光以45°角入射到第二平面反射镜(8)；所述第二平面反射镜(8)中的出射反射光是以45°角入射到第一平面反射镜(6)；所述第一平面反射镜(6)中的反射光垂直入射至聚焦透镜(9)，聚焦后的光线入射到CMOS传感器(10)的感光面上；以CMOS传感器的输出信号为测微力计的输出检测信号；
所述CMOS传感器(10)包括传感器本体和感光面，当外界温度变化或者其他因素影响使初始入射到感光面上的光点发生偏移时，根据CMOS传感器(10)的输出信号确定感光面上的光点当前位置，并以所述光点当前位置作为坐标零点进行数据处理，实现自调零功能。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，其特征是：所述铍铜簧片(1)中的弹性梁(3c)设置为轮辐型、四弹性梁型或六弹性梁型，用于实现不同的微力测量范围和测量灵敏度。
3.根据权利要求1所述的基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，其特征是：将所述测力探头(5)的顶端设置为立方体(5a)，所述立方体(5a)的顶面和四个侧面，共计五个面都能够作为接触面进行微力检测，用于实现多维微力检测。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，其特征在于：在所述圆筒体(2)的外侧壁上，按设定的位置和角度设置切面(2a)，使测力计能够按设定的姿态进行固定，实现设定方向上的测力。
5.根据权利要求1所述的基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，其特征在于：根据测力范围和灵敏度的要求，选定所述弹性梁(3c)的形状，和/或调整所述铍铜簧片(3)的厚度。
6.根据权利要求1所述的基于CMOS传感器的三维高灵敏度测微力计，其特征是：所述感测单元中的CMOS传感器(10)能够替换为四象限光电感测器QPD或位置敏感检测PSD，在不改变光路的情况下，用于实现更高的检测精度或者更宽范围的微力检测，拓宽其应用范围。
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Denomination of invention: A 3D High Sensitivity Microforce Meter Based on CMOS Sensor Granted publication date: 20210115 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Hefei Luyang branch Pledgor: ANHUI DINGLI NETWORK TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014561 |