專利名稱：基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力傳感器，更特別地說，是指一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率傳感器。
背景技術(shù)：
在納米壓印的熱壓印工藝過程中，需要對壓印力進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測。當(dāng)壓印頭接近基板時(shí)，可以通過力傳感器的監(jiān)測，判斷壓印頭是否已經(jīng)對準(zhǔn)，并進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)工作，此時(shí)的壓印力只有幾牛頓；當(dāng)開始壓印的時(shí)候，壓印頭完全壓住基板，此時(shí)的壓印力可以達(dá)到幾百甚至上千牛頓。如果采用傳統(tǒng)單軸力傳感器，在上述兩個(gè)過程中就需要更換不同的傳感器，這樣就會(huì)帶來重新標(biāo)定等問題，這將極大地影響納米壓印的精度。又如在金屬線材的拉伸強(qiáng)度測試過程中，金屬絲的強(qiáng)度隨著材料以及直徑的不同會(huì)有很大變化，從幾毫牛到幾十牛。這就需要有一種能夠?qū)崿F(xiàn)不同測量范圍，以及不同分辨率的力傳感器來滿足上述情況的需求?，F(xiàn)有的力傳感器大多是基于應(yīng)變片的測量方式，將應(yīng)變片貼在被測物體的表面， 當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生微小變形時(shí)，通過惠斯頓電橋?qū)⒆冃涡盘栟D(zhuǎn)換為電壓信號，再通過AD轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為便于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號。其他一些力傳感器，如壓電式力傳感器、壓阻式力傳感器、電容型力傳感器及光學(xué)力傳感器。壓電式力傳感器是通過壓電材料在外力作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓信號的原理來對力進(jìn)行測量，但這種力傳感器的缺點(diǎn)在于隨著外力的增加，壓電單元輸出的電信號將快速的衰減；壓阻式力傳感器是通過壓阻材料在外力作用下，其電阻會(huì)發(fā)生顯著的改變的原理來測量外力，這種力傳感器受環(huán)境噪聲，如溫度等，的影響很大；電容型力傳感器利用在外力作用下，電容上下兩塊金屬板之間位移發(fā)生改變，從而引起電容大小的改變的原理來測量外力，這種形式的力傳感器目前已被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電(MEMQ領(lǐng)域，用于制造高精度的微力傳感器；光學(xué)力傳感器通過光學(xué)設(shè)備來檢測懸臂梁在外力作用下的變形，并將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的原理來測量外力，例如原子力顯微鏡(AFM)就是利用這樣的原理來工作的。綜觀現(xiàn)有力傳感器，每種形式的力傳感器都有其優(yōu)缺點(diǎn)，特定場合下需要采用特定形式的傳感器。但現(xiàn)有力傳感器仍存在如下幾點(diǎn)不足(1)現(xiàn)有力傳感器無法實(shí)現(xiàn)兩級甚至多級力分辨率，其測量范圍受到分辨率的限制。在有多級力分辨率要求的情況下將無法滿足測量要求；(2)現(xiàn)有力傳感器的輸出信號都是一個(gè)微弱的模擬信號，受環(huán)境噪聲的影響很大；(3)現(xiàn)有力傳感器的精度和分辨率受限于力的測量范圍。也就是說，當(dāng)傳感器的精度和分辨率提高時(shí)，傳感器的測量范圍就會(huì)降低，反之亦然。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器， 該傳感器一方面采用兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行搭接，利用基板上自身板簧的變形機(jī)理實(shí)現(xiàn)力的測量；另一方面，采用光柵尺(Fiber Bragg Grating-FBG)位移傳感器通過檢測反射光的波長來測量被測力的大小。這種測量方式的輸出信號為數(shù)字信號，不需要經(jīng)過A/D采樣，從而極大地減小了外界噪聲信號的干擾，其分辨率僅取決于光柵尺柵格的分辨率。本發(fā)明是一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，該力傳感器包括有基板(1)、上蓋板O)、光柵尺位移傳感器(3)、探頭(4)和光柵尺安裝板(5)；基板(1)的上板面(IF)的中心設(shè)有凹槽(IG)，該凹槽(IG)用于放置光柵尺安裝板⑶；基板(1)的上板面(IF)的四周設(shè)有螺紋孔(IE)，該螺紋孔(IE)用于實(shí)現(xiàn)上蓋板 ⑵與基板⑴的安裝；基板⑴的前板面(IC)上設(shè)有A通孔(ID)，該A通孔(ID)用于探頭⑷的一端穿過；基板(1)的上板面(IF)上采用線切割技術(shù)切割有第一切縫(11)、第二切縫(12)、 第三切縫(13)、第四切縫(14)、第五切縫(15)和第六切縫(16)；第一切縫(11)的下切邊(IlC)上設(shè)有第一限位凸起(IlA)，第一切縫(11)的上切邊(IlD)上設(shè)有第二限位凸起(IlB)；第四切縫(14)的下切邊(14C)上設(shè)有第三限位凸起(14A)，第四切縫(14)的上切邊(14D)上設(shè)有第四限位凸起(14B)；第五切縫(15)的一端與第二切縫(12)的上切邊之間為第一柔性板簧(15A)；第五切縫(15)的一端與第一切縫(11)的上切邊IlD之間為第二柔性板簧(15B)；第五切縫 (15)的另一端與第三切縫(13)的上切邊之間為第三柔性板簧(15C)；第五切縫(15)的另一端與第四切縫(14)的上切邊(14D)之間為第四柔性板簧(15D)；第六切縫(16)的一端與第二切縫(12)的下切邊之間為第五柔性板簧(16A)；第六切縫(16)的一端與第一切縫 (11)的下切邊(IlC)之間為第六柔性板簧(16B)；第六切縫(16)的另一端與第三切縫(13) 的下切邊之間為第七柔性板簧(16C)；第六切縫(16)的另一端與第四切縫(14)的下切邊 (14C)之間為第八柔性板簧(16D)；第一切縫(11)、第四切縫(14)、第五切縫15和第六切縫 16將基板(1)分割成中間平臺(tái)(17)；第二切縫(12)、第三切縫(13)、第五切縫(15)和第六切縫(16)將基板(1)分割成末端平臺(tái)(18)；上蓋板O)的上板面上設(shè)有長凹槽(21)，該長凹槽內(nèi)設(shè)有B通孔Q2)、B螺紋孔06)；所述長凹槽用于安裝光柵尺位移傳感器(3)，且光柵尺位移傳感器(3)的敏感端(3Β)穿過B通孔0 ；所述B螺紋孔06)用于螺釘穿過，該螺釘穿過B螺紋孔06) 用于實(shí)現(xiàn)將光柵尺位移傳感器C3)安裝在上蓋板O)的長凹槽內(nèi)；上蓋板O)的下板面上設(shè)有前凸臺(tái)體04)和后凸臺(tái)體(25)，前凸臺(tái)體04)和后凸臺(tái)體0 上分別設(shè)有C通孔(23)，該C通孔用于螺釘穿過；所述螺釘穿過C通孔后螺紋連接在基板(1)的螺紋孔(IE)中，從而實(shí)現(xiàn)將上蓋板( 與基板(1)的安裝；
光柵尺位移傳感器( 的光柵尺(3A)安裝在光柵尺安裝板( 上，傳感器(3)的敏感端(3B)穿過上蓋板O)的長凹槽上的B通孔02)后，用于讀取光柵尺(3A)上的位移量；探頭的螺紋端(4A)螺紋連接在末端平臺(tái)(18)的一端的螺紋孔(18A)內(nèi)。本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于①在敏感元器件(基板)上采用電火花線切割的方式加工而成。利用兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)搭接，兩組柔性機(jī)構(gòu)對稱布置是為了保證中間平臺(tái)的高精度直線運(yùn)動(dòng)，即減小機(jī)構(gòu)的寄生誤差。②該敏感元器件(基板)為一個(gè)零件，不需要進(jìn)行裝配，從而有效地避免了傳統(tǒng)力傳感器由裝配帶來的摩擦、間隙等問題。③在敏感元器件(基板)內(nèi)側(cè)的四個(gè)板簧形成一組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而外側(cè)的四個(gè)板簧形成另一組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對稱布置，當(dāng)外力F作用通過探頭4作用在末端平臺(tái)18上時(shí)，兩組柔性機(jī)構(gòu)的柔性片段產(chǎn)生彈性變形，保證了末端平臺(tái)18的高精度直線運(yùn)動(dòng)。④采用光柵尺位移傳感器作為被測力的測量設(shè)備，通過檢測反射光的波長來測量被測力的大小。這種測量方式的輸出信號為數(shù)字信號，不需要經(jīng)過A/D采樣，從而極大地減小了外界噪聲信號的干擾，其分辨率僅取決于光柵尺柵格的分辨率。⑤本發(fā)明設(shè)計(jì)的兩級力分辨率傳感器的器件少、結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高。


圖1是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的外部結(jié)構(gòu)圖。圖IA是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的正視面結(jié)構(gòu)圖。圖IB是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的右側(cè)面結(jié)構(gòu)圖。圖IC是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的仰視面結(jié)構(gòu)圖。圖ID是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的分解圖。圖IE是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器中位移傳感器另一視角的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明基板的結(jié)構(gòu)圖。圖2A是本發(fā)明基板的俯視圖。圖3是本發(fā)明上蓋板的結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明兩級力分辨率傳感器的兩級力分解圖。圖中1.基板1A.右間隙 1B.左間隙1C.前板面1D.A通孔 1E.A螺紋孔 1F.上板面 1G.凹槽 11.第一切縫
11A.第一限位凸起11B.第二限位凸起 12.第二切縫13.第三切縫14.第四切縫 14A.第三限位凸起14B.第四限位凸起15.第五切縫15A.第一柔性板簧15B.第二柔性板簧15C.第三柔性板簧15D.第四柔性板簧16.第六切縫16A.第五柔性板簧16B.第六柔性板簧16C.第七柔性板簧16D.第八柔性板簧17.中間平臺(tái)18.末端平臺(tái)18A. C螺紋孔2.上蓋板 21.長凹槽22.B通孔 23. C通孔 24.前凸臺(tái)體25.后凸臺(tái)體26. B螺紋孔3.光柵尺位移傳感器 3A.光柵尺
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3B.敏感端 4.探頭 5.光柵尺安裝板
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明設(shè)計(jì)的力傳感器的基板1材料為鋁合金7075，采用電火花線切割的方式加工而成。其主要由兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)搭接而成。此外，兩組柔性機(jī)構(gòu)對稱布置是保證了中間平臺(tái)的高精度直線運(yùn)動(dòng)，即減小了機(jī)構(gòu)的寄生誤差。同時(shí)，該傳感器結(jié)構(gòu)主體為一個(gè)零件，不需要進(jìn)行裝配，從而有效地避免了傳統(tǒng)力傳感器由裝配帶來的摩擦、間隙等問題。該傳感器最大的特點(diǎn)在于，它能有效地實(shí)現(xiàn)兩級力分辨率，這是傳統(tǒng)力傳感器無法實(shí)現(xiàn)的。由于該傳感器利用的是自身板簧的變形機(jī)理，因此其分辨率可以達(dá)到很高。參見圖1、圖1A、圖1B、圖1C、圖ID所示，本發(fā)明是一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，該力傳感器包括有基板1、上蓋板2、光柵尺位移傳感器3、探頭4和光柵尺安裝板5。傳感器3安裝在上蓋板2的長凹槽21內(nèi)，且光柵尺位移傳感器3的敏感端穿過長凹槽21上的B通孔22 ；上蓋板2通過四周的螺釘固定在基板1上，且上蓋板2左右與基板1左右之間存在有右間隙IA和左間隙IB ；上蓋板2與基板1之間在左右兩側(cè)預(yù)留出間隙，保證了本發(fā)明兩級力分辨率傳感器在受到外力F作用時(shí)，基板1上設(shè)計(jì)的兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不再受其他阻力的影響。探頭4的螺紋端穿過基板1的前板面IC的通孔后安裝在末端平臺(tái)18的C螺紋孔 18A 內(nèi)。( 一 )基板 1參見圖2、圖2A所示，基板1的上板面IF的中心設(shè)有凹槽1G，該凹槽IG用于放置光柵尺安裝板5 ；基板1的上板面IF的四周設(shè)有螺紋孔1E，該螺紋孔IE用于實(shí)現(xiàn)上蓋板2與基板 1的安裝；基板1的前板面IC上設(shè)有A通孔1D，該A通孔ID用于探頭4的一端穿過；基板1的上板面IF上采用線切割技術(shù)切割有第一切縫11、第二切縫12、第三切縫 13、第四切縫14、第五切縫15和第六切縫16 ；第一切縫11的下切邊IlC上設(shè)有第一限位凸起11A，第一切縫11的上切邊IlD上設(shè)有第二限位凸起IlB ；第四切縫14的下切邊14C上設(shè)有第三限位凸起14A，第四切縫14的上切邊14D上設(shè)有第四限位凸起14B;第五切縫15的一端與第二切縫12的上切邊之間為第一柔性板簧15A ；第五切縫15的一端與第一切縫11的上切邊IlD之間為第二柔性板簧15B ；第五切縫15的另一端與第三切縫13的上切邊之間為第三柔性板簧15C ；第五切縫15的另一端與第四切縫14的上切邊14D之間為第四柔性板簧15D ；第六切縫16的一端與第二切縫12的下切邊之間為第五柔性板簧16A ；第六切縫16的一端與第一切縫11的下切邊IlC之間為第六柔性板簧16B ；
第六切縫16的另一端與第三切縫13的下切邊之間為第七柔性板簧16C ；第六切縫16的另一端與第四切縫14的下切邊14C之間為第八柔性板簧16D。在本發(fā)明中，第一切縫11、第四切縫14、第五切縫15和第六切縫16將基板1分割成中間平臺(tái)17。在本發(fā)明中，第二切縫12、第三切縫13、第五切縫15和第六切縫16將基板1分割成末端平臺(tái)18。在本發(fā)明中，基板1內(nèi)側(cè)的四個(gè)板簧(第一柔性板簧15A、第三柔性板簧15C、第五柔性板簧16A、第七柔性板簧16C)形成一組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而基板1外側(cè)的四個(gè)板簧(第二柔性板簧15B、第四柔性板簧15D、第六柔性板簧16B、第八柔性板簧16D) 形成另一組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對稱布置， 當(dāng)外力F作用通過探頭4作用在末端平臺(tái)18上時(shí)，兩組柔性機(jī)構(gòu)的板簧處產(chǎn)生彈性變形， 保證了末端平臺(tái)18的高精度直線運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明中，基板1選用鋁合金7075材料。( 二)上蓋板 2參見圖1、圖1A、圖1B、圖3所示，上蓋板2的上板面上設(shè)有長凹槽21，該長凹槽21 內(nèi)設(shè)有B通孔22、B螺紋孔沈；所述長凹槽21用于安裝光柵尺位移傳感器3，且光柵尺位移傳感器3的敏感端:3B穿過B通孔22。所述B螺紋孔沈用于螺釘穿過，該螺釘穿過B螺紋孔26用于實(shí)現(xiàn)將光柵尺位移傳感器3安裝在上蓋板2的長凹槽21內(nèi)。上蓋板2的下板面上設(shè)有前凸臺(tái)體M和后凸臺(tái)體25，前凸臺(tái)體M和后凸臺(tái)體25 上分別設(shè)有C通孔23，該C通孔23用于螺釘穿過；所述螺釘穿過C通孔23后螺紋連接在基板1的螺紋孔IE中，從而實(shí)現(xiàn)將上蓋板2與基板1的安裝。在本發(fā)明中，通過在上蓋板2的上板面上設(shè)計(jì)長凹槽21來對光柵尺位移傳感器3 進(jìn)行安裝位置的限制，保證了探頭4在受到外力F作用時(shí)，安裝在光柵尺安裝板5上的光柵尺3A能夠被光柵尺位移傳感器3的敏感端:3B讀??；同時(shí)也保證了本發(fā)明兩級力分辨率傳感器利用光柵尺位移傳感器3的安裝方向。在本發(fā)明中，上蓋板2選用鋁合金5052材料加工。
(三)光柵尺位移傳感器3參見圖1、圖1A、圖1B、圖1D、圖IE所示，在本發(fā)明中，光柵尺位移傳感器3的光柵尺3A安裝在光柵尺安裝板5上，傳感器3的敏感端:3B穿過上蓋板2的長凹槽21上的B通孔22后，用于讀取光柵尺3A上的位移量，從而實(shí)現(xiàn)位移的計(jì)量。在本發(fā)明中，光柵尺位移傳感器3選用美國MicroE systems公司生產(chǎn)的Mercury 3500系列位移傳感器，其線性分辨率可在5微米到5納米之間調(diào)節(jié)。在本發(fā)明中，光柵尺位移傳感器3的敏感精度通過應(yīng)用的需求來選取光柵尺3A上的柵格分辨率。(四)探頭4參見圖1、圖1A、圖1B、圖1C、圖ID所示，探頭4的螺紋端4A螺紋連接在末端平臺(tái) 18的一端的螺紋孔18A內(nèi)。在本發(fā)明中，探頭4選用鋁合金5052材料加工。參見圖4所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率傳感器實(shí)現(xiàn)兩級力分辨率的工作原理為基板1上的第二柔性板簧15B、第四柔性板簧15D、第六柔性板簧16B和第八柔性板簧16D形成類似具有剛度值ka的第一彈簧。所述第一彈簧在受力條件下，帶動(dòng)中間平臺(tái) 17運(yùn)動(dòng)?；?上的第一柔性板簧15A、第三柔性板簧15C、第五柔性板簧16A和第七柔性板簧16C形成類似具有剛度值kb的第二彈簧。所述第二彈簧在受力條件下，由于與中間平臺(tái)17連接，故帶動(dòng)末端平臺(tái)18運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被測力較小時(shí)，第一彈簧與第二彈簧是串聯(lián)關(guān)系，此時(shí)的剛度值為Ic1 = kakb/ (ka+kb)；當(dāng)被測外力較大時(shí)，中間平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)被第一限位凸起IlA和第三限位凸起14A 限制住，此時(shí)第一彈簧失效，只有第二彈簧起作用，剛度為1 = kb。由于在一個(gè)基板1上實(shí)現(xiàn)了兩級剛度的變化，因此在進(jìn)行同樣的位移檢測時(shí)，本發(fā)明傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)具有兩級的力分辨率和兩級力測量范圍的測量要求。本發(fā)明是一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，該力傳感器的工作原理為(A)當(dāng)探頭4在受到外部壓力的情況下，中間平臺(tái)和末端平臺(tái)同時(shí)向后運(yùn)動(dòng)(參見圖1所示)；(B)光柵尺3A隨末端平臺(tái)18運(yùn)動(dòng)相同位移；(C)光柵尺位移傳感器的敏感端檢測到末端平臺(tái)18的運(yùn)動(dòng)量；(D)當(dāng)中間平臺(tái)17與第一限位凸起IlA和第三限位凸起14A接觸后，中間平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，末端平臺(tái)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；(E)運(yùn)動(dòng)著的末端平臺(tái)18帶著光柵尺3A繼續(xù)向后方向運(yùn)動(dòng)；(F)光柵尺位移傳感器的敏感端再次檢測到末端平臺(tái)18的運(yùn)動(dòng)量。本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，是基于光柵尺(Fiber Bragg Grating-FBG)的力傳感器，當(dāng)外力通過探頭4作用在末端平臺(tái)18上時(shí)， 末端平臺(tái)18帶著光柵尺3A運(yùn)動(dòng)一段位移，此時(shí)，光柵尺3A上的柵格部分的長度以及核心區(qū)域的反射率會(huì)隨著發(fā)生改變，通過檢測反射光的波長來測量被測力的大小。這種測量方式的輸出信號為數(shù)字信號，不需要經(jīng)過A/D采樣，從而極大地減小了外界噪聲信號的干擾， 其分辨率僅取決于光柵尺3A上柵格的分辨率。
權(quán)利要求
1.一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于該力傳感器包括有基板(1)、上蓋板O)、光柵尺位移傳感器(3)、探頭(4)和光柵尺安裝板(5)；基板(1)的上板面(IF)的中心設(shè)有凹槽(IG)，該凹槽(IG)用于放置光柵尺安裝板(5)；基板(1)的上板面(IF)的四周設(shè)有螺紋孔(IE)，該螺紋孔(IE)用于實(shí)現(xiàn)上蓋板(2) 與基板(1)的安裝；基板(1)的前板面(IC)上設(shè)有A通孔(ID)，該A通孔(ID)用于探頭(4)的一端穿過； 基板(1)的上板面(IF)上采用線切割技術(shù)切割有第一切縫(11)、第二切縫(12)、第三切縫(13)、第四切縫(14)、第五切縫(15)和第六切縫(16)；第一切縫(11)的下切邊(IlC)上設(shè)有第一限位凸起(IlA)，第一切縫(11)的上切邊 (IlD)上設(shè)有第二限位凸起(IlB)；第四切縫(14)的下切邊(14C)上設(shè)有第三限位凸起(14A)，第四切縫(14)的上切邊 (14D)上設(shè)有第四限位凸起(14B)；第五切縫(15)的一端與第二切縫(12)的上切邊之間為第一柔性板簧(15A)；第五切縫(15)的一端與第一切縫(11)的上切邊IlD之間為第二柔性板簧(15B)；第五切縫(15) 的另一端與第三切縫(13)的上切邊之間為第三柔性板簧(15C)；第五切縫(15)的另一端與第四切縫(14)的上切邊(14D)之間為第四柔性板簧(15D)；第六切縫(16)的一端與第二切縫(12)的下切邊之間為第五柔性板簧(16A)；第六切縫(16)的一端與第一切縫(11)的下切邊(IlC)之間為第六柔性板簧(16B)；第六切縫(16)的另一端與第三切縫(13)的下切邊之間為第七柔性板簧(16C)；第六切縫(16)的另一端與第四切縫(14)的下切邊(14C) 之間為第八柔性板簧(16D)；第一切縫(11)、第四切縫(14)、第五切縫15和第六切縫16將基板(1)分割成中間平臺(tái)(17)；第二切縫(12)、第三切縫(13)、第五切縫(15)和第六切縫 (16)將基板(1)分割成末端平臺(tái)(18)；上蓋板O)的上板面上設(shè)有長凹槽(21)，該長凹槽內(nèi)設(shè)有B通孔螺紋孔 (26)；所述長凹槽用于安裝光柵尺位移傳感器(3)，且光柵尺位移傳感器(3)的敏感端(3B)穿過B通孔02)；所述B螺紋孔06)用于螺釘穿過，該螺釘穿過B螺紋孔Q6)用于實(shí)現(xiàn)將光柵尺位移傳感器( 安裝在上蓋板的長凹槽內(nèi)；上蓋板的下板面上設(shè)有前凸臺(tái)體04)和后凸臺(tái)體(25)，前凸臺(tái)體04)和后凸臺(tái)體0 上分別設(shè)有C通孔(23)，該C通孔用于螺釘穿過；所述螺釘穿過C通孔03) 后螺紋連接在基板(1)的螺紋孔(IE)中，從而實(shí)現(xiàn)將上蓋板( 與基板(1)的安裝；光柵尺位移傳感器( 的光柵尺(3A)安裝在光柵尺安裝板( 上，傳感器( 的敏感端(3B)穿過上蓋板的長凹槽上的B通孔02)后，用于讀取光柵尺(3A)上的位移量；探頭的螺紋端(4A)螺紋連接在末端平臺(tái)(18)的一端的螺紋孔(18A)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于基板(1)內(nèi)側(cè)的第一柔性板簧(15A)、第三柔性板簧(15C)、第五柔性板簧(16A)、 第七柔性板簧(16C)形成一組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；而基板(1)外側(cè)的第二柔性板簧(15B)、第四柔性板簧(15D)、第六柔性板簧(16B)、第八柔性板簧(16D)形成另一組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對稱布置，當(dāng)外力F作用通過探頭(4)作用在末端平臺(tái)(18)上時(shí)，兩組柔性機(jī)構(gòu)的板簧處產(chǎn)生彈性變形，保證了末端平臺(tái)(18)的高精度直線運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于基板(1)選用鋁合金7075材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于上蓋板( 選用鋁合金5052材料加工。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于光柵尺位移傳感器(3)的線性分辨率可在5微米到5納米之間調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于探頭(4)選用鋁合金5052材料加工。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，其特征在于兩級力分辨率傳感器實(shí)現(xiàn)兩級力分辨率的工作原理為基板(1)上的第二柔性板簧(15B)、第四柔性板簧(15D)、第六柔性板簧(16B)和第八柔性板簧(16D)形成類似具有剛度值1的第一彈簧；所述第一彈簧在受力條件下，帶動(dòng)中間平臺(tái)(17)運(yùn)動(dòng)；基板(1)上的第一柔性板簧(15A)、第三柔性板簧(15C)、第五柔性板簧(16A)和第七柔性板簧(16C)形成類似具有剛度值kb的第二彈簧；所述第二彈簧在受力條件下，由于與中間平臺(tái)(17)連接，故帶動(dòng)末端平臺(tái)(18)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)被測力較小時(shí)，第一彈簧與第二彈簧是串聯(lián)關(guān)系，此時(shí)的剛度值為Iq = kakb/ (ka+kb)；當(dāng)被測外力較大時(shí)，中間平臺(tái)(17)的運(yùn)動(dòng)被第一限位凸起(IlA)和第三限位凸起 (14A)限制住，此時(shí)第一彈簧失效，只有第二彈簧起作用，此時(shí)的剛度為lc2 = kb ；由于在一個(gè)基板(1)上實(shí)現(xiàn)了兩級剛度的變化，因此在進(jìn)行同樣的位移檢測時(shí)，實(shí)現(xiàn)具有兩級的力分辨率和兩級力測量范圍的測量要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于柔性平行四邊形機(jī)構(gòu)的兩級力分辨率的力傳感器，該力傳感器包括有基板、上蓋板、光柵尺位移傳感器、探頭和光柵尺安裝板。光柵尺位移傳感器安裝在上蓋板的長凹槽內(nèi)；上蓋板通過四周的螺釘固定在基板上，且上蓋板左右與基板左右之間存在有間隙；探頭一端穿過基板的前板面的通孔后安裝在基板的末端平臺(tái)的螺紋孔內(nèi)。本發(fā)明基板采用電火花線切割的方式加工出兩組柔性平行四邊形直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該兩組柔性機(jī)構(gòu)對稱布置是為了保證了中間平臺(tái)的高精度直線運(yùn)動(dòng)，即減小了機(jī)構(gòu)的寄生誤差。同時(shí)，作為力傳感器的敏感結(jié)構(gòu)件，基板采用一個(gè)零件，不需要進(jìn)行裝配，從而有效地避免了傳統(tǒng)力傳感器由于裝配帶來的摩擦、間隙等問題。本發(fā)明的傳感器能有效地實(shí)現(xiàn)兩級力分辨率，這是傳統(tǒng)力傳感器無法實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號G01L1/24GK102435362SQ201110274750
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者劉敬猛, 蔣俊, 陳文杰 申請人:北京航空航天大學(xué)