基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器

摘要

本发明公开了一种基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器包括有基板、上盖板、光栅尺位移传感器、探头和光栅尺安装板。光栅尺位移传感器安装在上盖板的长凹槽内；上盖板通过四周的螺钉固定在基板上，且上盖板左右与基板左右之间存在有间隙；探头一端穿过基板的前板面的通孔后安装在基板的末端平台的螺纹孔内。本发明基板采用电火花线切割的方式加工出两组柔性平行四边形直线运动机构。该两组柔性机构对称布置是为了保证了中间平台的高精度直线运动，即减小了机构的寄生误差。同时，作为力传感器的敏感结构件，基板采用一个零件，不需要进行装配，从而有效地避免了传统力传感器由于装配带来的摩擦、间隙等问题。本发明的传感器能有效地实现两级力分辨率，这是传统力传感器无法实现的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种力传感器，更特别地说，是指一种基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率传感器。

背景技术

在纳米压印的热压印工艺过程中，需要对压印力进行实施监测。当压印头接近基板时，可以通过力传感器的监测，判断压印头是否已经对准，并进行相应的校准工作，此时的压印力只有几牛顿；当开始压印的时候，压印头完全压住基板，此时的压印力可以达到几百甚至上千牛顿。如果采用传统单轴力传感器，在上述两个过程中就需要更换不同的传感器，这样就会带来重新标定等问题，这将极大地影响纳米压印的精度。

又如在金属线材的拉伸强度测试过程中，金属丝的强度随着材料以及直径的不同会有很大变化，从几毫牛到几十牛。这就需要有一种能够实现不同测量范围，以及不同分辨率的力传感器来满足上述情况的需求。

现有的力传感器大多是基于应变片的测量方式，将应变片贴在被测物体的表面，当应变片产生微小变形时，通过惠斯顿电桥将变形信号转换为电压信号，再通过AD转换器将模拟电压信号转换为便于计算机处理的数字信号。

其他一些力传感器，如压电式力传感器、压阻式力传感器、电容型力传感器及光学力传感器。

压电式力传感器是通过压电材料在外力作用下，会产生一个电压信号的原理来对力进行测量，但这种力传感器的缺点在于随着外力的增加，压电单元输出的电信号将快速的衰减；压阻式力传感器是通过压阻材料在外力作用下，其电阻会发生显著的改变的原理来测量外力，这种力传感器受环境噪声，如温度等，的影响很大；电容型力传感器利用在外力作用下，电容上下两块金属板之间位移发生改变，从而引起电容大小的改变的原理来测量外力，这种形式的力传感器目前已被广泛应用于微机电(MEMS)领域，用于制造高精度的微力传感器；光学力传感器通过光学设备来检测悬臂梁在外力作用下的变形，并将光学信号转换为电压信号的原理来测量外力，例如原子力显微镜(AFM)就是利用这样的原理来工作的。

综观现有力传感器，每种形式的力传感器都有其优缺点，特定场合下需要采用特定形式的传感器。但现有力传感器仍存在如下几点不足：

(1)现有力传感器无法实现两级甚至多级力分辨率，其测量范围受到分辨率的限制。在有多级力分辨率要求的情况下将无法满足测量要求；

(2)现有力传感器的输出信号都是一个微弱的模拟信号，受环境噪声的影响很大；

(3)现有力传感器的精度和分辨率受限于力的测量范围。也就是说，当传感器的精度和分辨率提高时，传感器的测量范围就会降低，反之亦然。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器，该传感器一方面采用两组柔性平行四边形直线运动机构进行搭接，利用基板上自身板簧的变形机理实现力的测量；另一方面，采用光栅尺(Fiber Bragg Grating-FBG)位移传感器通过检测反射光的波长来测量被测力的大小。这种测量方式的输出信号为数字信号，不需要经过A/D采样，从而极大地减小了外界噪声信号的干扰，其分辨率仅取决于光栅尺栅格的分辨率。

本发明是一种基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器包括有基板(1)、上盖板(2)、光栅尺位移传感器(3)、探头(4)和光栅尺安装板

(5)；

基板(1)的上板面(1F)的中心设有凹槽(1G)，该凹槽(1G)用于放置光栅尺安装板(5)；

基板(1)的上板面(1F)的四周设有螺纹孔(1E)，该螺纹孔(1E)用于实现上盖板(2)与基板(1)的安装；

基板(1)的前板面(1C)上设有A通孔(1D)，该A通孔(1D)用于探头(4)的一端穿过；

基板(1)的上板面(1F)上采用线切割技术切割有第一切缝(11)、第二切缝(12)、第三切缝(13)、第四切缝(14)、第五切缝(15)和第六切缝(16)；

第一切缝(11)的下切边(11C)上设有第一限位凸起(11A)，第一切缝(11)的上切边(11D)上设有第二限位凸起(11B)；

第四切缝(14)的下切边(14C)上设有第三限位凸起(14A)，第四切缝(14)的上切边(14D)上设有第四限位凸起(14B)；

第五切缝(15)的一端与第二切缝(12)的上切边之间为第一柔性板簧(15A)；第五切缝(15)的一端与第一切缝(11)的上切边11D之间为第二柔性板簧(15B)；第五切缝(15)的另一端与第三切缝(13)的上切边之间为第三柔性板簧(15C)；第五切缝(15)的另一端与第四切缝(14)的上切边(14D)之间为第四柔性板簧(15D)；第六切缝(16)的一端与第二切缝(12)的下切边之间为第五柔性板簧(16A)；第六切缝(16)的一端与第一切缝(11)的下切边(11C)之间为第六柔性板簧(16B)；第六切缝(16)的另一端与第三切缝(13)的下切边之间为第七柔性板簧(16C)；第六切缝(16)的另一端与第四切缝(14)的下切边(14C)之间为第八柔性板簧(16D)；第一切缝(11)、第四切缝(14)、第五切缝15和第六切缝16将基板(1)分割成中间平台(17)；第二切缝(12)、第三切缝(13)、第五切缝(15)和第六切缝(16)将基板(1)分割成末端平台(18)；

上盖板(2)的上板面上设有长凹槽(21)，该长凹槽(21)内设有B通孔(22)、B螺纹孔(26)；所述长凹槽(21)用于安装光栅尺位移传感器(3)，且光栅尺位移传感器(3)的敏感端(3B)穿过B通孔(22)；所述B螺纹孔(26)用于螺钉穿过，该螺钉穿过B螺纹孔(26)用于实现将光栅尺位移传感器(3)安装在上盖板(2)的长凹槽(21)内；

上盖板(2)的下板面上设有前凸台体(24)和后凸台体(25)，前凸台体(24)和后凸台体(25)上分别设有C通孔(23)，该C通孔(23)用于螺钉穿过；所述螺钉穿过C通孔(23)后螺纹连接在基板(1)的螺纹孔(1E)中，从而实现将上盖板(2)与基板(1)的安装；

光栅尺位移传感器(3)的光栅尺(3A)安装在光栅尺安装板(5)上，传感器(3)的敏感端(3B)穿过上盖板(2)的长凹槽(21)上的B通孔(22)后，用于读取光栅尺(3A)上的位移量；探头(4)的螺纹端(4A)螺纹连接在末端平台(18)的一端的螺纹孔(18A)内。

本发明两级力分辨率传感器的优点在于：

①在敏感元器件(基板)上采用电火花线切割的方式加工而成。利用两组柔性平行四边形直线运动机构搭接，两组柔性机构对称布置是为了保证中间平台的高精度直线运动，即减小机构的寄生误差。

②该敏感元器件(基板)为一个零件，不需要进行装配，从而有效地避免了传统力传感器由装配带来的摩擦、间隙等问题。

③在敏感元器件(基板)内侧的四个板簧形成一组柔性平行四边形直线运动机构，而外侧的四个板簧形成另一组柔性平行四边形直线运动机构。两组柔性平行四边形直线运动机构对称布置，当外力F作用通过探头4作用在末端平台18上时，两组柔性机构的柔性片段产生弹性变形，保证了末端平台18的高精度直线运动。

④采用光栅尺位移传感器作为被测力的测量设备，通过检测反射光的波长来测量被测力的大小。这种测量方式的输出信号为数字信号，不需要经过A/D采样，从而极大地减小了外界噪声信号的干扰，其分辨率仅取决于光栅尺栅格的分辨率。

⑤本发明设计的两级力分辨率传感器的器件少、结构简单，测量精度高。

附图说明

图1是本发明两级力分辨率传感器的外部结构图。

图1A是本发明两级力分辨率传感器的正视面结构图。

图1B是本发明两级力分辨率传感器的右侧面结构图。

图1C是本发明两级力分辨率传感器的仰视面结构图。

图1D是本发明两级力分辨率传感器的分解图。

图1E是本发明两级力分辨率传感器中位移传感器另一视角的结构图。

图2是本发明基板的结构图。

图2A是本发明基板的俯视图。

图3是本发明上盖板的结构图。

图4是本发明两级力分辨率传感器的两级力分解图。

图中：1.基板  1A.右间隙   1B.左间隙  1C.前板面

1D.A通孔      1E.A螺纹孔  1F.上板面  1G.凹槽  11.第一切缝

11A.第一限位凸起  11B.第二限位凸起    12.第二切缝

13.第三切缝       14.第四切缝      14A.第三限位凸起  14B.第四限位凸起

15.第五切缝       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.第六切缝

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.中间平台  18.末端平台18A.C螺纹孔

2.上盖板    21.长凹槽  22.B通孔    23.C通孔    24.前凸台体

25.后凸台体 26.B螺纹孔 3.光栅尺位移传感器      3A.光栅尺

3B.敏感端   4.探头     5.光栅尺安装板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明设计的力传感器的基板1材料为铝合金7075，采用电火花线切割的方式加工而成。其主要由两组柔性平行四边形直线运动机构搭接而成。此外，两组柔性机构对称布置是保证了中间平台的高精度直线运动，即减小了机构的寄生误差。同时，该传感器结构主体为一个零件，不需要进行装配，从而有效地避免了传统力传感器由装配带来的摩擦、间隙等问题。该传感器最大的特点在于，它能有效地实现两级力分辨率，这是传统力传感器无法实现的。由于该传感器利用的是自身板簧的变形机理，因此其分辨率可以达到很高。

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，本发明是一种基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器包括有基板1、上盖板2、光栅尺位移传感器3、探头4和光栅尺安装板5。

传感器3安装在上盖板2的长凹槽21内，且光栅尺位移传感器3的敏感端3B穿过长凹槽21上的B通孔22；

上盖板2通过四周的螺钉固定在基板1上，且上盖板2左右与基板1左右之间存在有右间隙1A和左间隙1B；上盖板2与基板1之间在左右两侧预留出间隙，保证了本发明两级力分辨率传感器在受到外力F作用时，基板1上设计的两组柔性平行四边形直线运动机构的运动不再受其他阻力的影响。

探头4的螺纹端穿过基板1的前板面1C的通孔后安装在末端平台18的C螺纹孔18A内。

(一)基板1

参见图2、图2A所示，基板1的上板面1F的中心设有凹槽1G，该凹槽1G用于放置光栅尺安装板5；

基板1的上板面1F的四周设有螺纹孔1E，该螺纹孔1E用于实现上盖板2与基板1的安装；

基板1的前板面1C上设有A通孔1D，该A通孔1D用于探头4的一端穿过；

基板1的上板面1F上采用线切割技术切割有第一切缝11、第二切缝12、第三切缝13、第四切缝14、第五切缝15和第六切缝16；

第一切缝11的下切边11C上设有第一限位凸起11A，第一切缝11的上切边11D上设有第二限位凸起11B；

第四切缝14的下切边14C上设有第三限位凸起14A，第四切缝14的上切边14D上设有第四限位凸起14B；

第五切缝15的一端与第二切缝12的上切边之间为第一柔性板簧15A；

第五切缝15的一端与第一切缝11的上切边11D之间为第二柔性板簧15B；

第五切缝15的另一端与第三切缝13的上切边之间为第三柔性板簧15C；

第五切缝15的另一端与第四切缝14的上切边14D之间为第四柔性板簧15D；

第六切缝16的一端与第二切缝12的下切边之间为第五柔性板簧16A；

第六切缝16的一端与第一切缝11的下切边11C之间为第六柔性板簧16B；

第六切缝16的另一端与第三切缝13的下切边之间为第七柔性板簧16C；

第六切缝16的另一端与第四切缝14的下切边14C之间为第八柔性板簧16D。

在本发明中，第一切缝11、第四切缝14、第五切缝15和第六切缝16将基板1分割成中间平台17。

在本发明中，第二切缝12、第三切缝13、第五切缝15和第六切缝16将基板1分割成末端平台18。

在本发明中，基板1内侧的四个板簧(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)形成一组柔性平行四边形直线运动机构，而基板1外侧的四个板簧(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)形成另一组柔性平行四边形直线运动机构。两组柔性平行四边形直线运动机构对称布置，当外力F作用通过探头4作用在末端平台18上时，两组柔性机构的板簧处产生弹性变形，保证了末端平台18的高精度直线运动。

在本发明中，基板1选用铝合金7075材料。

(二)上盖板2

参见图1、图1A、图1B、图3所示，上盖板2的上板面上设有长凹槽21，该长凹槽21内设有B通孔22、B螺纹孔26；所述长凹槽21用于安装光栅尺位移传感器3，且光栅尺位移传感器3的敏感端3B穿过B通孔22。所述B螺纹孔26用于螺钉穿过，该螺钉穿过B螺纹孔26用于实现将光栅尺位移传感器3安装在上盖板2的长凹槽21内。

上盖板2的下板面上设有前凸台体24和后凸台体25，前凸台体24和后凸台体25上分别设有C通孔23，该C通孔23用于螺钉穿过；所述螺钉穿过C通孔23后螺纹连接在基板1的螺纹孔1E中，从而实现将上盖板2与基板1的安装。

在本发明中，通过在上盖板2的上板面上设计长凹槽21来对光栅尺位移传感器3进行安装位置的限制，保证了探头4在受到外力F作用时，安装在光栅尺安装板5上的光栅尺3A能够被光栅尺位移传感器3的敏感端3B读取；同时也保证了本发明两级力分辨率传感器利用光栅尺位移传感器3的安装方向。

在本发明中，上盖板2选用铝合金5052材料加工。

(三)光栅尺位移传感器3

参见图1、图1A、图1B、图1D、图1E所示，在本发明中，光栅尺位移传感器3的光栅尺3A安装在光栅尺安装板5上，传感器3的敏感端3B穿过上盖板2的长凹槽21上的B通孔22后，用于读取光栅尺3A上的位移量，从而实现位移的计量。

在本发明中，光栅尺位移传感器3选用美国MicroE systems公司生产的Mercury 3500系列位移传感器，其线性分辨率可在5微米到5纳米之间调节。

在本发明中，光栅尺位移传感器3的敏感精度通过应用的需求来选取光栅尺3A上的栅格分辨率。

(四)探头4

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，探头4的螺纹端4A螺纹连接在末端平台18的一端的螺纹孔18A内。

在本发明中，探头4选用铝合金5052材料加工。

参见图4所示，本发明设计的基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率传感器实现两级力分辨率的工作原理为：

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形成类似具有刚度值k_a的第一弹簧。所述第一弹簧在受力条件下，带动中间平台17运动。

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形成类似具有刚度值k_b的第二弹簧。所述第二弹簧在受力条件下，由于与中间平台17连接，故带动末端平台18运动。

当被测力较小时，第一弹簧与第二弹簧是串联关系，此时的刚度值为k₁＝k_ak_b/(k_a+k_b)；当被测外力较大时，中间平台17的运动被第一限位凸起11A和第三限位凸起14A限制住，此时第一弹簧失效，只有第二弹簧起作用，刚度为k₂＝k_b。由于在一个基板1上实现了两级刚度的变化，因此在进行同样的位移检测时，本发明传感器能够实现具有两级的力分辨率和两级力测量范围的测量要求。

本发明是一种基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器的工作原理为：

(A)当探头4在受到外部压力的情况下，中间平台和末端平台同时向后运动(参见图1所示)；

(B)光栅尺3A随末端平台18运动相同位移；

(C)光栅尺位移传感器的敏感端检测到末端平台18的运动量；

(D)当中间平台17与第一限位凸起11A和第三限位凸起14A接触后，中间平台停止运动，末端平台继续运动；

(E)运动着的末端平台18带着光栅尺3A继续向后方向运动；

(F)光栅尺位移传感器的敏感端再次检测到末端平台18的运动量。

本发明设计的基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器，是基于光栅尺(Fiber Bragg Grating-FBG)的力传感器，当外力通过探头4作用在末端平台18上时，末端平台18带着光栅尺3A运动一段位移，此时，光栅尺3A上的栅格部分的长度以及核心区域的反射率会随着发生改变，通过检测反射光的波长来测量被测力的大小。这种测量方式的输出信号为数字信号，不需要经过A/D采样，从而极大地减小了外界噪声信号的干扰，其分辨率仅取决于光栅尺3A上栅格的分辨率。