[發明專利]基于柔性Roberts機構的兩級力分辨率的力傳感器

有效

• 申請號: 201110274522.7
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN102435353A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 劉敬猛;蔣俊;陳文杰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;G01L1/26;G01B7/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 李有浩

技術領域

本發明涉及一種力傳感器，更特別地說，是指一種基于柔性Roberts機構的兩級力分辨率的力傳感器。

背景技術

在納米壓印工藝過程中，如果采用不同的壓印工藝(熱壓印和紫外壓印)，其壓印力的范圍不同。要實現對壓印過程中壓印力的實時監測，就必須存在一種能夠滿足不同范圍壓印力及不同分辨率要求的力傳感器。

在掃描探針顯微鏡中，當探針掃描具有不同硬度的表面時，就需要探頭具有可變的剛度及分辨率。

現有的力傳感器大多是基于應變片的測量方式，將應變片貼在被測物體的表面，當應變片產生微小變形時，通過惠斯頓電橋將變形信號轉換為電壓信號，再通過AD轉換器將模擬電壓信號轉換為便于計算機處理的數字信號。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，會產生一個電壓信號的原理來對力進行測量，但這種力傳感器的缺點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，其電阻會發生顯著的改變的原理來測量外力，這種力傳感器受環境噪聲，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用于微機電(MEMS)領域，用于制造高精度的微力傳感器；光學力傳感器通過光學設備來檢測懸臂梁在外力作用下的變形，并將光學信號轉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。

綜觀現有力傳感器，每種形式的力傳感器都有其優缺點，特定場合下需要采用特定形式的傳感器。但現有力傳感器仍存在如下幾點不足：(1)現有力傳感器無法實現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)現有力傳感器的輸出信號都是一個微弱的模擬信號，受環境噪聲的影響很大；(3)現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，當傳感器的精度和分辨率提高時，傳感器的測量范圍就會降低，反之亦然。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于柔性Roberts機構的兩級力分辨率的力傳感器，該力傳感器采用兩組柔性Roberts機構進行搭接，利用基板上自身板簧的變形機理實現力的測量；另一方面，采用電渦流位移傳感器來測量運動部件的位移，而不是Roberts機構上板簧自身的變形，從而減小了外界噪聲信號的干擾，提高了力傳感器的測量精度。

本發明是一種基于柔性Roberts機構的兩級力分辨率的力傳感器，該力傳感器包括有敏感體(1)、支架(2)、位移檢測件(3)、電渦流位移傳感器(4)和探頭(5)；

敏感體(1)采用電火花線切割技術一方面切割有A柔性羅伯茨機構(1A)、B柔性羅伯茨機構(1B)、C柔性羅伯茨機構(1C)、D柔性羅伯茨機構(1D)、E柔性羅伯茨機構(1E)、F柔性羅伯茨機構(1F)、G柔性羅伯茨機構(1G)、H柔性羅伯茨機構(1H)；

敏感體(1)采用電火花線切割技術另一方面切割有第一切割槽(151)、第二切割槽(152)、第三切割槽(153)、第四切割槽(154)、第五切割槽(161)、第六切割槽(162)、第七切割槽(163)、第八切割槽(164)；

第一切割槽(151)的一端與第二切割槽(152)的另一端之間是H缺口形柔性鉸鏈(1P)；第二切割槽(152)的一端與第三切割槽(153)的另一端之間是E缺口形柔性鉸鏈(1M)；第三切割槽(153)的一端與第四切割槽(154)的另一端之間是A缺口形柔性鉸鏈(1I)；第四切割槽(154)的一端與第一切割槽(151)的另一端之間是D缺口形柔性鉸鏈(1L)；第五切割槽(161)的一端與第六切割槽(162)的另一端之間是G缺口形柔性鉸鏈(1O)；第六切割槽(162)的一端與第七切割槽(163)的另一端之間是F缺口形柔性鉸鏈(1N)；第七切割槽(163)的一端與第八切割槽(164)的另一端之間是B缺口形柔性鉸鏈(1J)；第八切割槽(164)的一端與第五切割槽(161)的另一端之間是C缺口形柔性鉸鏈(1K)；所述切割槽將敏感體(1)分割成第一平臺(12)、第二平臺(13)和第三平臺(14)；

第一平臺(12)上安裝有位移檢測件(3)；

第三平臺(14)上安裝有支架(2)；