一種空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器。本發(fā)明專利技術(shù)由三條柔性力傳遞支鏈通過(guò)卡槽固定在基座上，三條柔性力傳遞支路的頂端裝有測(cè)力接觸感應(yīng)動(dòng)平臺(tái)，在柔性力傳遞支鏈裝有硅基應(yīng)變片，通過(guò)硅基應(yīng)變片轉(zhuǎn)換并傳遞待測(cè)力電壓信號(hào)，并輸出至多維力融合處理器中，通過(guò)融合算法可實(shí)現(xiàn)待測(cè)力空間三維方向的矢量力大小及方向。多維力攢干融合算法：[GH]TT＝F?(1)[GH]——力的影響系數(shù)；T——?jiǎng)悠脚_(tái)受的待測(cè)外力；F——硅基迎應(yīng)變片受的彈力(相當(dāng)于柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力)其中a，u都是動(dòng)平臺(tái)上的受力點(diǎn)，Ei是彈性模量。i＝1，2，3。F＝kΔx????????????(8)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器
本專利技術(shù)涉及一種空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器。背景領(lǐng)域具有高精度空間多維微力傳感器在現(xiàn)代工業(yè)和科研領(lǐng)域占有重要地位，是現(xiàn)代制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)智能化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。它直接影響精密控制系統(tǒng)、MEMS系統(tǒng)及汽車安全系統(tǒng)的性能。空間多維微力傳感器在夾持工具、掃描電鏡、原子力顯微鏡、摩擦力顯微鏡、微精密裝配作業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等尖端領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著MEMS系統(tǒng)、力學(xué)顯微技術(shù)、精密控制等高端技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)空間多維精密微力傳感器的需求越來(lái)越迫切。精密控制系統(tǒng)中必須具有重復(fù)測(cè)量精度為0.1微牛頓、分辨率達(dá)到0.01微牛頓的空間多維微力傳感器。在MEMS中，隨著微型化、精密化程度的提高，一些產(chǎn)品在加工控制過(guò)程中，由于苛刻的精密度要求需要研制高精度的數(shù)據(jù)采集傳感器作為其控制基礎(chǔ)和支撐。實(shí)現(xiàn)微牛頓級(jí)的測(cè)量精度，常規(guī)的力傳感器很難達(dá)到要求。例如，在原子力學(xué)顯微鏡中測(cè)量精度達(dá)到幾十納牛頓，通常的方式是采用MEMS工藝制作惠斯通電橋，該電橋應(yīng)變系數(shù)較大，對(duì)微力的放大效果和測(cè)量精度雖然在理想情況下能達(dá)到要求，然而該類傳感器是由電氣元件所組成，受溫度、噪聲等環(huán)境條件的影響較大，穩(wěn)定性較差。目前這類空間多維微力傳感器主要采用單維微力傳感檢測(cè)或者是由多電路堆積式組成結(jié)構(gòu)形式，由于存在空間耦合作用，使得測(cè)量的精度達(dá)不到檢測(cè)要求，難以實(shí)現(xiàn)微型化量程，且集成化程度較低。本專利技術(shù)所涉及的空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器是一種以柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)為載體的機(jī)械式傳感器，對(duì)環(huán)境變化的敏感性較小、穩(wěn)定性高，并可實(shí)現(xiàn)空間三維高精度機(jī)械式微力測(cè)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述的不足，本專利技術(shù)提供一種具有空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器。本專利技術(shù)克服上述不足所采用的技術(shù)方案是：空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器主要由柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊、集成硅基應(yīng)變片模塊和多維力融合處理模塊所組成。柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)(4)在待測(cè)力T的作用下，通過(guò)組成力柔性傳遞支路(2)的柔性鉸鏈將待測(cè)力所引起的彈性變形傳遞到集成硅基應(yīng)變片(3)上，集成硅基應(yīng)變片通過(guò)傳感調(diào)理電路將彈性變形量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，傳遞到多維力融合處理器(5)中，將三個(gè)配置位置不同的集成硅基應(yīng)變片傳遞的電壓信號(hào)通過(guò)融合算法，計(jì)算并輸出所檢測(cè)待測(cè)力T的大小及方向，達(dá)到微力傳感檢測(cè)的目的。本專利技術(shù)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要依據(jù)力在柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)中傳遞特性，并采用融合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。融合算法的核心為柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程。根據(jù)集成硅基應(yīng)變片所感知的力柔性傳遞支路彈性變形量，采用柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)逆解求出測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)所檢測(cè)的待測(cè)力。[GH]TT＝F(1)GH-力的影響系數(shù)，[GH]T-轉(zhuǎn)置矩陣；T-作用在測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)上的待測(cè)力；F-集成硅基應(yīng)變片感應(yīng)的彈性變形力(相當(dāng)于柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力)其中，α、u都是測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)上的受力點(diǎn)，Ei是彈性模量，i＝1，2，3F＝kΔx(8)集成硅基應(yīng)變片接收力柔性傳遞支路上的彈性變形，并通過(guò)調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳遞到多維力融合處理器中，多維力融合處理器根據(jù)設(shè)置的融合算法推導(dǎo)出待測(cè)力的大小和方向。有益效果：(1)以柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基體專利技術(shù)了受環(huán)境因素影響較小的空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器。(2)應(yīng)用動(dòng)力學(xué)逆解方程，采用集成硅基應(yīng)變片將力柔性傳遞支路彈性變形量轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)力空間三維高精度機(jī)械式無(wú)源傳感與檢測(cè)。(3)應(yīng)用融合算法開(kāi)發(fā)多維力融合處理器，提高空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器集成化程度。(4)基于柔順并聯(lián)機(jī)構(gòu)的微變形特征，實(shí)現(xiàn)了空間三維高精度機(jī)械式微力傳感與測(cè)量。(5)多維力融合處理器的開(kāi)發(fā)使用，可提高空間多維微力傳感器集成化程度、改善可視化性能，易于使用者觀測(cè)記錄。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例進(jìn)一步對(duì)該專利技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。圖1為本專利技術(shù)空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器的拆分示意圖。圖2為圖1中的一個(gè)力柔性傳遞支路。圖中，1.基體，2，力柔性傳遞支路，3.集成硅基應(yīng)變片，4.測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)，5.多維力融合處理器，6.面蓋，7.螺釘，8.u副，9.p副，10.u副，11.卡槽，12.集成硅基應(yīng)變片安裝槽，13.測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)安裝槽具體實(shí)施方式按照示意圖所示，將三個(gè)集成硅基應(yīng)變片分別安裝在三個(gè)力柔性傳遞支路上的集成硅基應(yīng)變片安裝槽中，三個(gè)力柔性支路通過(guò)卡槽11分別固定在基體上，測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)安裝在三個(gè)力柔性傳遞支路上的測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)安裝槽上，將多維力融合傳感器嵌入到基體內(nèi)，通過(guò)面蓋和螺釘將其固定在基體的一側(cè)。待測(cè)力作用在測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)三個(gè)力柔性傳遞支路將彈性變形傳遞到集成硅基應(yīng)變片上，并將其轉(zhuǎn)換成電本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器，其特征在于：空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器包括一個(gè)與待測(cè)力接觸感應(yīng)動(dòng)平臺(tái)(4)安裝在柔性力傳遞支路(2)上，柔性力傳遞支路(2)通過(guò)卡槽(11)安裝在基體(1)上，柔性力傳遞支路(2)通過(guò)集成的柔性鉸鏈將待測(cè)力傳遞到硅基應(yīng)變片(3)上，，硅基應(yīng)變片(3)將彈性變形量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出到多維力融合處理器中，根據(jù)三個(gè)柔性力傳遞支路，通過(guò)融合算法計(jì)算出待測(cè)力的大小和方向。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種空間三維高精度機(jī)械式微力傳感器，其特征在于：包括三個(gè)力柔性傳遞支路(2)，三個(gè)集成硅基應(yīng)變片(3)分別安裝在三個(gè)力柔性傳遞支路(2)上集成硅基應(yīng)變片安裝槽(12)中，三個(gè)力柔性傳遞支路(2)分別通過(guò)卡槽(11)固定在基體(1)上，測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)(4)安裝在三個(gè)力柔性傳遞支路上的測(cè)力接觸動(dòng)平臺(tái)安裝槽(13)上，力柔性傳遞支路(2)通過(guò)集成的柔性鉸鏈將彈性變形量傳遞到集成硅基應(yīng)變片(3)上，集成硅基應(yīng)變片(3)將彈性變形量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出到多維力融合處理器(5)中，通過(guò)融合算法計(jì)算出待測(cè)力的大小和方向。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種空間三...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱大昌，馮文結(jié)，崔祥府，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：江西理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：