專(zhuān)利名稱(chēng)：三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高精密設(shè)備的微小靈敏力檢測(cè)設(shè)備，特別涉及一種集三維力學(xué)信號(hào)、微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)為一體的高靈敏度的三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)三自由度毫牛級(jí)力學(xué)信號(hào)檢測(cè)。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、納米工程、微小精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)其配套的檢測(cè)裝置的要求也越來(lái)越高，國(guó)外對(duì)微小力的測(cè)量研究已經(jīng)非常深入，測(cè)量的量級(jí)已經(jīng)達(dá)到皮牛的級(jí)別。同時(shí)對(duì)多維力的測(cè)量的研究也趨于成熟，我國(guó)國(guó)內(nèi)高校對(duì)多維力測(cè)量研究也取得了相當(dāng)多的成果，浙江大學(xué)的王宣銀教授，燕山大學(xué)趙永生教授等提出了利用 Stewart平臺(tái)對(duì)廣義六維力進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)效果也非常理想。針對(duì)測(cè)量原理，有研究人員利用PVDF薄膜等壓電材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行力學(xué)信號(hào)檢測(cè)，但這種檢測(cè)方法存在負(fù)載能力不強(qiáng)，要求加載頻率較高等局限，所以利用電阻應(yīng)變片檢測(cè)力學(xué)信號(hào)原理仍被普遍采用。微小力學(xué)傳感器在在微觀(guān)力學(xué)測(cè)試、超精密加工、微定位等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、納米工程是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，作為配套的檢測(cè)系統(tǒng)的研究也受到重視。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)微納米壓痕/劃痕、微納拉伸、復(fù)合載荷裝置的力學(xué)測(cè)試的研究發(fā)展很快，對(duì)微小多維力傳感器的要求也越來(lái)越高，如何使傳感器的測(cè)量精度提高的同時(shí)增加其測(cè)量力的維數(shù)的問(wèn)題亟待解決。同時(shí)在多維力測(cè)量中各向力之間的干擾一直是制約傳感器靈敏度的一個(gè)難題。因此有必要開(kāi)發(fā)出新的檢測(cè)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的負(fù)載能力不強(qiáng)、要求加載頻率較高，在多維力測(cè)量中各向力之間的干擾，以及如何使傳感器的測(cè)量精度提高的同時(shí)增加其測(cè)量力的維數(shù)等問(wèn)題。本發(fā)明提出一種將多維力測(cè)量、微小力測(cè)量集成的檢測(cè)裝置，而且各向力影響較小，其中Z向力對(duì)X、Y向電阻應(yīng)變片的輸出可以忽略，減小了解耦的難度。對(duì)微機(jī)電檢測(cè)系統(tǒng)、精密定位加工技術(shù)、微納測(cè)試與加工等領(lǐng)域的研究有著重要的意義。本發(fā)明采用整體線(xiàn)切割加工，所有零部件無(wú)連接裝配環(huán)節(jié)，大大提高了檢測(cè)精度，減小了外力干擾，有效的避免了裝配應(yīng)力。同時(shí)在力學(xué)檢測(cè)中現(xiàn)有傳感器大多只能實(shí)現(xiàn)單一方向或兩個(gè)方向的力學(xué)檢測(cè)，在微小量級(jí)上的多自由度檢測(cè)裝置研究甚少，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)微小檢測(cè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三向力檢測(cè)，Z向檢測(cè)采用變形傳導(dǎo)的方式使中間橫梁變形實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。同時(shí)各向力之間影響很小，減小了解耦的難度。本發(fā)明在微納壓痕/劃痕、微納拉伸、復(fù)合載荷裝置的力學(xué)測(cè)試、 多自由度精密加工、表面雕刻加工的力學(xué)檢測(cè)反饋上有著廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明主要由 XYZ三向力加載作用臺(tái)、起支撐作用的八根支撐架、十字橫梁、底端固定座、XYZ三向力檢測(cè)彈性體、X^三向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片組成。用于每向力測(cè)量的四片電阻應(yīng)變片組成惠斯通電橋進(jìn)行測(cè)量。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)Z向10毫牛量級(jí)，XY向1毫牛級(jí)靈敏度的測(cè)量。
3
本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，包括X向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)、Y向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)及Z向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)， 所述X向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括下支撐架I、III 4a,4c,X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b及X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b，X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b分別設(shè)置在下支撐架I、III 4a,4c的底部；該下支撐架I、III 4a,4c的底端分別與固定座5連接，上端分別與上支撐架 I >111 2a、2c及十字橫梁3連接，該上支撐架I、III 2a、2c分別通過(guò)薄弱彈性體與CTZ三向力加載作用臺(tái)1連接，施加ζ向力時(shí)該薄弱彈性體傳導(dǎo)Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、8b)變形；
所述Y向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括下支撐架II、IV 4b、4d、Y向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b及Y 向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 10a、10b，該Y向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b分別設(shè)置在下支撐架II、IV 4b、4d的底部；該下支撐架II、IV 4b、4d的底端分別與固定座5連接，上端分別與上支撐架II、IV 2b、2d及十字橫梁3連接，該上支撐架II、IV 2b、2d分別通過(guò)薄弱彈性體與X^三向力加載作用臺(tái)1連接，施加Z向力時(shí)該薄弱彈性體傳導(dǎo)Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、8b)變形；
所述Z向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括十字橫梁3、Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b及Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II lla、llb，Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b分別設(shè)置于十字橫梁3中間，該十字橫梁3分別與上支撐架I IV 2a 2d及下支撐架I IV 4a 4d連接。所述的X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b分別粘貼在X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b的內(nèi)外表面上；Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IOaUOb分別粘貼在Y向力檢測(cè)彈性體 KII 7a、7b的內(nèi)外表面上；Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IlaUlb分別粘貼在Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b的內(nèi)外表面上。應(yīng)變片為敏感元件，當(dāng)外力作用在CTZ三向力加載作用臺(tái)1上使三向力檢測(cè)彈性體產(chǎn)生彈性變形時(shí)，粘貼在其上的應(yīng)變片隨之產(chǎn)生形變，根據(jù)電工學(xué)原理，應(yīng)變片電阻發(fā)生改變，經(jīng)惠斯通橋路轉(zhuǎn)換成電壓變化，其中X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b、Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IOaUOb貼在圓弧形彈性體的內(nèi)外表面，Z向力檢測(cè)檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IlaUlb貼在十字橫梁上彈性體的內(nèi)外表面。所述的檢測(cè)裝置采用整體線(xiàn)切割方式加工，無(wú)裝配連接環(huán)節(jié)，能夠有效保證檢測(cè)精度。本發(fā)明各向力影響較小，其中Z向力對(duì)XY向電阻應(yīng)變片的輸出可以忽略，減小了解耦的難度。Z向檢測(cè)精度為10毫牛級(jí)，XY向精度為1毫牛級(jí)。所述薄弱彈性體有兩個(gè)作用一是作為上支撐架I IV 2a^2d與XYZ三向力加載作用臺(tái)1的連接體；二是施加Z向力時(shí)傳導(dǎo)彈性體變形。所述的上支撐架I IV h 2d、下支撐架I IV ^、d、十字橫梁3有兩個(gè)作用 一是增加整個(gè)裝置的剛性，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；二是傳遞三向力，使其變形傳導(dǎo)到各個(gè)力檢測(cè)彈性體上。本發(fā)明通過(guò)對(duì)CTZ三向力加載作用臺(tái)1施加載荷，經(jīng)過(guò)裝置結(jié)構(gòu)對(duì)力的傳導(dǎo)，使各向力檢測(cè)彈性體發(fā)生形變，隨著彈性體的變形其電阻應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化輸出電壓信號(hào)，從而對(duì)力值進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明的技術(shù)效果是能夠?qū)崿F(xiàn)CTZ三方向力的同時(shí)檢測(cè)，其中Z向檢測(cè)精度為 10毫牛級(jí)，XY向檢測(cè)精度為1毫牛級(jí)。各向力影響較小，其中Z向力對(duì)XY向電阻應(yīng)變片的輸出可以忽略，減小了解耦的難度。本發(fā)明在微納壓痕/劃痕、微納拉伸、復(fù)合載荷裝置的力學(xué)測(cè)試、多自由度精密加工、表面雕刻加工的力學(xué)檢測(cè)反饋上有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片固定在彈性體上的位置示意圖。圖3是本發(fā)明的Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片固定在彈性體上的位置示意圖。圖4是本發(fā)明的Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片固定在彈性體上的位置示意圖。圖5是本發(fā)明的電阻應(yīng)變片惠斯通電橋接線(xiàn)方式示意圖。圖中Iπ π ννν νπ 1、ΧΗ三向力加載作用臺(tái)； 2c、上支撐架III ； 4a、下支撐架I ； 4d、下支撐架IV ； 6b、X向力檢測(cè)彈性體II ； 8a、Z向力檢測(cè)彈性體I ；
I ；
9b、X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片II ；10a、Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I ；
10b, Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片II ；lla、z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I ；
lib、Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片II。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，包括X向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)、Y向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)及Z向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述X向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括下支撐架I、III 4a,4c,X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b及X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b，X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b分別設(shè)置在下支撐架I、III 4a、k的底部；該下支撐架I、III 4a、k的底端分別與固定座5連接，上端分別與上支撐架I、III 2a、2c及十字橫梁3連接，該上支撐架I、III 2a、2c分別通過(guò)薄弱彈性體與XYZ三向力加載作用臺(tái)1連接，施加Z向力時(shí)該薄弱彈性體傳導(dǎo)Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、8b)變形；
所述Y向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括下支撐架II、IV 4b、4d、Y向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b及Y 向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 10a、10b，該Y向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b分別設(shè)置在下支撐架II、IV 4b、4d的底部；該下支撐架II、IV 4b、4d的底端分別與固定座5連接，上端分別與上支撐架II、IV 2b、2d及十字橫梁3連接，該上支撐架II、IV 2b、2d分別通過(guò)薄弱彈性體與X^三向力加載作用臺(tái)1連接，施加Z向力時(shí)該薄弱彈性體傳導(dǎo)Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、8b)變形；
所述Z向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括十字橫梁3、Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b及Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II lla、llb，Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b分別設(shè)置于十字橫梁3中間，該十字橫梁3分別與上支撐架I IV 2a 2d及下支撐架I IV 4a 4d連接。
2a、上支撐架I ； 2d、上支撐架IV ； 4b、下支撐架II ； 5、底端固定座； 7a、Y向力檢測(cè)彈性體I ； 8b、Z向力檢測(cè)彈性體II ；
2b、上支撐架II ； 3、十字橫梁； 4c、下支撐架III; 6a、X向力檢測(cè)彈性體I ； 7b、Y向力檢測(cè)彈性體II ； 9a、X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片
參見(jiàn)圖2至圖5，所述的X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b分別粘貼在X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b的內(nèi)外表面上；Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IOaUOb分別粘貼在Y 向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b的內(nèi)外表面上；Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IlaUlb分別粘貼在Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b的內(nèi)外表面上。應(yīng)變片為敏感元件，當(dāng)外力作用在XYZ 三向力加載作用臺(tái)1上使三向力檢測(cè)彈性體產(chǎn)生彈性變形時(shí)，粘貼在其上的應(yīng)變片隨之產(chǎn)生形變，根據(jù)電工學(xué)原理，應(yīng)變片電阻發(fā)生改變，經(jīng)惠斯通橋路轉(zhuǎn)換成電壓變化，其中X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b、Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IOaUOb貼在圓弧形彈性體的內(nèi)外表面，Z向力檢測(cè)檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IlaUlb貼在十字橫梁上彈性體的內(nèi)外表所述的檢測(cè)裝置采用整體線(xiàn)切割方式加工，無(wú)裝配連接環(huán)節(jié)，能夠有效保證檢測(cè)精度。本發(fā)明各向力影響較小，其中Z向力對(duì)XY向電阻應(yīng)變片的輸出可以忽略，減小了解耦的難度。Z向檢測(cè)精度為10毫牛級(jí)，XY向精度為1毫牛級(jí)。所述薄弱彈性體有兩個(gè)作用一是作為上支撐架I IV 2a^2d與XYZ三向力加載作用臺(tái)1的連接體；二是施加Z向力時(shí)傳導(dǎo)彈性體變形。所述的上支撐架I IV h 2d、下支撐架I IV ^、d、十字橫梁3有兩個(gè)作用 一是增加整個(gè)裝置的剛性，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；二是傳遞三向力，使其變形傳導(dǎo)到各個(gè)力檢測(cè)彈性體上。本發(fā)明通過(guò)對(duì)XYZ三向力加載作用臺(tái)1施加載荷，經(jīng)過(guò)裝置結(jié)構(gòu)對(duì)力的傳導(dǎo)，使各向力檢測(cè)彈性體發(fā)生形變，隨著彈性體的變形其電阻應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變化輸出電壓信號(hào)，從而對(duì)力值進(jìn)行檢測(cè)。參見(jiàn)圖1至圖5，本發(fā)明的具體工作過(guò)程如下
初始狀態(tài)時(shí)，裝置不發(fā)生形變，X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b、Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IOaUOb、Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II IlaUlb經(jīng)惠斯通橋路連接后輸出電壓為零。當(dāng)施加Z向力時(shí)，各薄弱彈性體將力傳導(dǎo)到十字橫梁3上，使十字橫梁3的各梁處于拉伸狀態(tài)，從而Z向力檢測(cè)彈性體I、II 8a、8b發(fā)生形變帶動(dòng)Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、 II IlaUlb變形，通過(guò)惠斯通電橋輸出電壓，檢測(cè)相應(yīng)的力值。由于此時(shí)頂端薄弱彈性體變形很大，X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b、Y向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b變形可以忽略，從而對(duì)其電壓輸出不產(chǎn)生影響；當(dāng)施加X(jué)向力時(shí)，由于十字橫梁3起到的固定支撐作用，使結(jié)構(gòu)的受力變形全部轉(zhuǎn)移到X向力檢測(cè)彈性體I、II 6a、6b上使其變形，帶動(dòng)X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II 9a、9b變形，通過(guò)惠斯通電橋輸出電壓，檢測(cè)相應(yīng)的力值。Y向力檢測(cè)彈性體 (7a) (7b)由于在X向力作用下處于剛性狀態(tài)，因而Y向力檢測(cè)彈性體I、II 7a、7b變形可以忽略，對(duì)其電壓輸出沒(méi)有影響。施加Y向力與施加X(jué)向力時(shí)結(jié)構(gòu)工作原理完全相同。
權(quán)利要求
1.一種三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，其特征在于包括X向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)、Y向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)及Z向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述X向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括下支撐架I、III(4a3C)、X向力檢測(cè)彈性體 I、II (6a、6b)及X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II (9a、9b)，X向力檢測(cè)彈性體I、II (6a,6b) 別設(shè)置在下支撐架I、III(4a3C)的底部；該下支撐架I、III(4a3C)的底端分別與固定座 (5)連接，上端分別與上支撐架I、III(2a、2C)及十字橫梁(3)連接，該上支撐架I、III(2a、 2c)分別通過(guò)薄弱彈性體與XYZ三向力加載作用臺(tái)(1)連接，施加Z向力時(shí)該薄弱彈性體傳導(dǎo)Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、8b)變形；所述Y向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括下支撐架II、IV(4b、4d)、Y向力檢測(cè)彈性體I、II (7a、7b)及 Y向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II (10a、10b)，該Y向力檢測(cè)彈性體I、II (7a、7b)分別設(shè)置在下支撐架II、IV(4b、4d)的底部；該下支撐架II、IV(4b、4d)的底端分別與固定座(5)連接，上端分別與上支撐架11、~(213、2(1)及十字橫梁(3)連接，該上支撐架11、^(213、2(1)分別通過(guò)薄弱彈性體與CTZ三向力加載作用臺(tái)(1)連接，施加Z向力時(shí)該薄弱彈性體傳導(dǎo)Z向力檢測(cè)彈性體I >11 (8a、8b)變形；所述Z向力檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括十字橫梁(3)、Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、8b)及Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片KII(IlaUlb), Z向力檢測(cè)彈性體I、II(8a、8b)分別設(shè)置于十字橫梁(3) 中間，該十字橫梁(3)分別與上支撐架I IV(2a 2d)及下支撐架I IV(4a 4d)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的X向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II (9a、9b)分別粘貼在X向力檢測(cè)彈性體I、II (6a、6b)的內(nèi)外表面上；Y 向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II (IOaUOb)分別粘貼在Y向力檢測(cè)彈性體I、II (7a、7b)的內(nèi)外表面上；Z向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片I、II (IlaUlb)分別粘貼在Z向力檢測(cè)彈性體I、II (8a、 8b)的內(nèi)外表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的檢測(cè)裝置采用整體線(xiàn)切割方式加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三向微小力學(xué)信號(hào)檢測(cè)裝置，屬于高精密檢測(cè)設(shè)備。該裝置采用整體線(xiàn)切割方式加工，無(wú)裝配連接環(huán)節(jié)，主要由XYZ三向力加載作用臺(tái)、八根支撐架、十字橫梁、固定座、XYZ三向力檢測(cè)彈性體、XYZ三向力檢測(cè)電阻應(yīng)變片組成；三向力加載作用臺(tái)由上部四根支撐架通過(guò)薄弱彈性體連接，十字橫梁由上下八根支撐架通過(guò)薄弱彈性體連接，下部四根支撐架通過(guò)XY向力檢測(cè)彈性體固定在底端固定座上，Z向力檢測(cè)彈性體位于十字橫梁中間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)XYZ三方向力同時(shí)檢測(cè)，Z向檢測(cè)精度為10毫牛，XY向精度為1毫牛。各向力影響較小，且減小了解耦的難度。整個(gè)裝置能夠在精密設(shè)備上的力學(xué)信號(hào)檢測(cè)上得以應(yīng)用，尤其適用于多維加載的需要。
文檔編號(hào)G01L1/22GK102353483SQ20111019020
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者萬(wàn)順光, 張鎮(zhèn)鵬, 張鵬, 趙宏偉, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)