CN116929632A - 一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置 - Google Patents

Abstract

一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，包括四个相同的力施加单元和一个装置固定框架，力施加单元包含前后两组柔性位移放大机构、压电驱动装置、刚性连接件、力传递元件和应变片；两组柔性位移放大机构之间通过刚性连接件进行连接，压电驱动装置位于两组柔性位移放大机构之间，后组放大机构的中心块与固定框架相连，前组放大机构中心块上设置力传递元件，力传递元件的横梁上粘贴两片应变片；本发明中压电驱动装置受外部电压来驱动产生轴向伸长，并由柔性位移放大机构放大后推动力传递元件向被标定力传感器施加力载荷，同时力传递元件横梁上的应变片可检测所施加力的大小。四组力施加单元垂直放置即可完成水平两方向上标定力的施加。

Description

一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置

技术领域

本发明属于力传感器标定装置技术领域，具体涉及一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置。

背景技术

多维力传感器是机器人、生物医学、航空航天和信息技术等领域高速发展的重要支撑器件之一。一般来说，传感器的精度和稳定性在长期使用过程中会出现下降，检测特性也随之发生变化，影响测量结果。因此，力传感器在使用一段时间后，需要对其特性进行检测和标定，以保证测量结果的准确度。近年来，随着MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)微型力传感器在各个领域的广泛使用，对传感器计量装备的小型化需求也越来越大。

传统的传感器标定装置往往体积很大，且大多数装置仅具有单向输出方式。当进行MEMS多维力传感器不同敏感方向的测量性能标定时，首先需要对传感器的安装位置和工装进行调整，导致标定过程复杂，操作难度较大。同时，标定装置的较大的体积也难以适应MEMS微型多维力传感器较小的受力面积。近年来，压电驱动元件因其具有的响应快、体积小、驱动力大、长期工作稳定等众多优势，在位移平台、夹持器和振动台等领域得到了广泛的应用。但压电驱动元件的输出位移一般较小，难以满足力传感器标定过程中对驱动距离的要求。柔性放大机构作为一种常与压电驱动元件配套使用的机械结构，可对压电驱动元件的位移进行放大。由此，将压电驱动元件与柔性放大机构组装即可得到满足力传感器标定要求的加载装置，但仍缺少力大小检测功能。为此，专利CN 108680301A即公开了一种基于此种方式的力输出装置，且引入了标准力传感器来进行所施加力的检测。但总体来看，该类装置仍存在以下两个问题：○1装置组成复杂，且尺寸大，加载方式仅适应具有较大受力面的传统力传感器，无法满足MEMS微型多维力传感器的标定需求；2○该类装置仅能向力传感器施加单一方向的标定力，一次安装仅能实现一个方向的标定。MEMS微型多维力传感器标定领域仍需要尺寸小、成本低、具有力检测功能且能实现多方向加载的标定加载装置。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，四组正交对称分布的力施加单元可以沿着水平面内两个方向给被标定传感器施加双向力，为实现传感器两个方向特性的标定奠定了基础。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，包括固定框架2以及设置在固定框架2内对称正交分布的四个相同的力施加单元1；所述力施加单元1包括平行设置形状完全相同的后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4，后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4两端通过刚性连接件5进行连接，压电驱动装置6放置在后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4之间，两端连接刚性连接件5，前组柔性放大机构4包括第一中心块7和设置在第一中心块7两端的柔性支链8，前组柔性位移放大机构4的第一中心块7上设置有力传递元件9，力传递元件9的端部粘贴有两片应变片10,后组柔性位移放大机构3包括与固定框架2固定连接的第二中心块11和设置在第二中心块11两端的柔性支链8；

所述柔性支链8两端设有槽口，槽口内侧形成柔性铰链，连接第一中心块7和第二中心块11的柔性铰链比连接第一刚性连接件3和第二刚性连接件4的柔性铰链在宽度方向上更靠近压电驱动装置6；

工作时，四组正交对称分布的力施加单元沿着水平面内的两个方向给被标定力传感器分别施加双向力；后组柔性位移放大机构3的第二中心块11固定在固定框架2上，将被标定力传感器置于四个力传递元件9之间，当给压电驱动装置6施加激励电压使其产生位移，由于连接第一中心块7的柔性铰链比连接第一刚性连接件3和第二刚性连接件4的柔性铰链在宽度方向上更靠近压电驱动装置6，柔性支链8带动第一中心块7向远离压电驱动装置6的方向运动，进而带动力传递元件9向远离压电驱动装置6的方向运动；力传递元件9的位移使其短梁和被标定力传感器受力元件接触并相互作用，将标定力施加到被标定力传感器的同时，短梁自身也受到反作用力而产生形变，导致应变片10阻值发生变化；应变片10的阻值变化通过惠斯通电桥电路转换为与加载装置所施加标定力相对应的输出电压；再利用提前标定好的惠斯通电桥输出电压与力传递元件9短梁受力间的对应关系，即通过检测被标定力传感器过程中惠斯通电桥的输出电压来推算出加载装置向被标定力传感器所施加的力值大小；将不同驱动下作用在被标定力传感器上的多个力值与被标定力传感器测得的多个对应数值进行对比，即得到被标定力传感器的测量偏差，完成对力传感器的标定；在标定过程中位于同一直线上的力施加单元1能够向被标定力传感器的受力元件施加方向相反的标定力，标定传感器在某一方向受正、负力作用的特性。

所述力施加单元1中第一中心块7、第二中心块11及柔性支链8刚度大，在位移放大过程中不发生变形。

所述力施加单元1中刚性连接件5为矩形，与第一中心块7、第二中心块11和柔性支链8具有相同的厚度，刚度大，在位移放大过程中不发生变形，刚性连接件5内侧与压电驱动装置6连接。

所述力传递元件9包括与前组柔性放大机构4垂直的两根长梁，连接两根长梁端部的短梁，两片应变片10粘贴在短梁上，两根长梁长度为短梁长度的5倍以上，且两根长梁刚度为短梁刚度的100倍以上。

所述力施加单元1中的压电驱动装置6为压电叠堆。

所述固定框架2为每边中间具有凸起12的正方形框架，在装置工作过程中固定框架2不移动且不发生变形；所述后组柔性位移放大机构3的第二中心块11与固定框架2对应边中间处的凸起12相连接。

与现有技术相比，本发明所实现的技术效果有：

本发明提出了一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，四组正交对称分布的力施加单元可以沿着水平面内两个方向给被标定传感器施加双向力，为实现传感器两个方向特性的标定奠定了基础。各力施加单元中，压电叠堆作为驱动装置，具有响应快、体积小、输出力大等优点，配合结构简单、紧凑的柔性位移放大机构来对压电叠堆的伸长进行放大，在实现标定力输出的同时，保证了装置的小体积和低成本，能够满足MEMS多维力传感器的标定需求。此外，装置在力施加单元中引用了用于检测力大小的应变片，实现了输出力的检测功能。最后，本发明除压电叠堆外的部件可一体化加工，降低了装置的装配难度。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为力施加单元立体结构示意图。

图4为两柔性位移放大机构和两刚性连接件的结构示意图。

图5固定框架的结构示意图。

图6为桥式放大机构工作原理图。

图7为力施加单元中驱动电压与输出端位移的关系曲线。

其中：1—力施加单元；2—固定框架；3—后组柔性位移放大机构；4—前组柔性位移放大机构；5—刚性连接件；6—压电驱动装置；7—第一中心块；8—柔性支链；9—力传递元件；10—应变片；11—第二中心块；12—凸起。图6中虚线为放大机构变形前形态，实线为受压电驱动装置作用后的形态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参阅图1至图7，一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，主要由四个相同的力施加单元1和固定框架2构成。每个力施加单元1中，后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4之间两端刚性连接件5进行连接，刚性连接件5具有较大刚度，保证其在受到压电驱动装置6的推力时自身不会发生明显变形，从而将压电驱动装置6的输出位移高效传递至后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4，保证放大机构实际的放大倍数。压电驱动装置6放置在后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4之间，两端与两个刚性连接件5连接，如有需要可通过加入塞尺来为压电驱动装置6提供预紧力。力施加单元1的前组柔性位移放大机构4包括第一中心块7和设置在第一中心块7两端的柔性支链8，第一中心块7上设置有力传递元件9，力传递元件9的端部短梁上布置有两个应变片10。后组柔性位移放大机构3包括第二中心块11和设置在第二中心块11两端的柔性支链8，每个力施加单元1都通过其后组柔性位移放大机构3的第二中心块11固定在固定框架2的四条边中间的凸起12上。

后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4结构相同，柔性支链8两端设有槽口，槽口内侧形成柔性铰链。第一中心块7、第二中心块11及柔性支链8刚度较大，在位移放大过程中不发生明显变形。加载装置工作过程中，每个力施加单元1的第一中心块7将被推动，产生平动位移。力传递元件9被第一中心块7带动，经其短梁向被标定传感器的受力部件施加标定力。同时，短梁因受发作用力影响，产生与所施加标定力对应的应变，导致其上的两个应变片10阻值发生变化，实现对所加载力的检测。为保证各力施加单元1在加载过程中互不干涉，力传递元件9的竖直梁具有较大的长度，并且其刚度远大于横梁，以防止竖直梁在加载过程中变形。

参照图7，力传递元件9作为力加载单元1的输出端，其位移与压电驱动装置6所受驱动电压成正比。驱动电压越高，力传递元件9输出的位移越大，进而向被标定传感器加载的标定力也就越大。通过调节驱动电压，即可调节装置能产生的标定力。

本发明四组正交对称分布的力施加单元可以沿着水平面内的两个方向给被标定力传感器施加双向力，为实现力传感器两个方向特性的标定奠定了基础。各力施加单元中，压电叠堆作为驱动装置，具有响应快、体积小、输出力大等优点，配合结构简单、紧凑的柔性位移放大机构来对压电叠堆的伸长进行放大，在实现标定力输出的同时，保证了装置的小体积和低成本，进而满足MEMS多维力传感器对标定装置高精度。小体积的要求。此外，装置在力施加单元中引用了用于检测力大小的应变片，实现了输出力的检测功能。最后，本发明除压电叠堆外的部件可一体化加工，降低了装置的装配难度。

下面对本发明的工作过程做详细描述：

本发明装置工作时将固定框架2位置完全固定，作为整个加载装置的支撑；在每一个力施加单元1中，压电驱动装置6以使用由若干方形或圆形压电陶瓷片组成的压电叠堆为例，当受到0-150V驱动电压作用时，压电叠堆产生与电压高低成正比的轴向伸长，从而带动压电驱动装置6两侧的刚性连接件5一起运动；因刚性连接件5两端分别与后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4相连，后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4将发生形变，使得前组柔性位移放大机构4的第一中心块7和力传递元件9产生被放大的位移。后组柔性位移放大机构3和前组柔性位移放大机构4中的柔性支链和中心块因自身刚度很大可视为刚体。对于前组柔性位移放大机构4，当受沿x方向输入位移Δx时，第一中心块7与柔性支链8的连接点比柔性支链8与刚性连接件5的连接点在宽度方向上更靠近压电驱动装置6，柔性支链8可带动第一中心块7向远离压电驱动装置6的方向运动，进而带动力传递元件9向远离压电驱动装置6的方向运动。力传递元件9的位移使其短梁和被标定力传感器受力元件接触并相互作用，将标定力施加到被标定力传感器的同时，短梁自身也受到反作用力而产生形变，导致应变片10阻值发生变化；应变片10的阻值变化可以通过惠斯通电桥电路转换为与加载装置所施加标定力相对应的输出电压；再利用提前标定好的惠斯通电桥输出电压与力传递元件9短梁受力间的对应关系，即可通过检测被标定力传感器过程中惠斯通电桥的输出电压来推算出加载装置向被标定力传感器所施加的力值大小。将不同驱动下作用在被标定力传感器上的多个力值与被标定力传感器测得的多个对应数值进行对比，即可得到被标定力传感器的测量偏差，再通过必要的特性计算即可完成对力传感器的标定。在标定过程中位于同一直线上的力施加单元1可向被标定力传感器的受力元件施加方向相反的标定力，可标定传感器在某一方向受正、负力作用的特性。

综上所述，本发明提出的面向MEMS多维力传感器标定的力施加装置可以沿两个水平方向向传感器高精度地施加标定力，且能够实时检测所施加的标定力。同时，整个装置结构紧凑，尺寸小，多个部件具有一体化加工潜力。

上面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

Claims (6)

1.一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，其特征在于，包括固定框架(2)以及设置在固定框架(2)内对称正交分布的四个相同的力施加单元(1)；所述力施加单元(1)包括平行设置形状完全相同的后组柔性位移放大机构(3)和前组柔性位移放大机构(4)，后组柔性位移放大机构(3)和前组柔性位移放大机构(4)两端通过刚性连接件(5)进行连接，压电驱动装置(6)放置在后组柔性位移放大机构(3)和前组柔性位移放大机构(4)之间，两端连接刚性连接件(5)，前组柔性放大机构(4)包括第一中心块(7)和设置在第一中心块(7)两端的柔性支链(8)，前组柔性位移放大机构(4)的第一中心块(7)上设置有力传递元件(9)，力传递元件(9)的端部粘贴有两片应变片(10),后组柔性位移放大机构(3)包括与固定框架(2)固定连接的第二中心块(11)和设置在第二中心块(11)两端的柔性支链(8)；

所述柔性支链(8)两端设有槽口，槽口内侧形成柔性铰链，连接第一中心块(7)和第二中心块(11)的柔性铰链比连接第一刚性连接件(3)和第二刚性连接件(4)的柔性铰链在宽度方向上更靠近压电驱动装置(6)；

工作时，四组正交对称分布的力施加单元沿着水平面内的两个方向给被标定力传感器分别施加双向力；后组柔性位移放大机构(3)的第二中心块(11)固定在固定框架(2)上，将被标定力传感器置于四个力传递元件(9)之间，当给压电驱动装置(6)施加激励电压使其产生位移，由于连接第一中心块(7)的柔性铰链比连接第一刚性连接件(3)和第二刚性连接件(4)的柔性铰链在宽度方向上更靠近压电驱动装置(6)，柔性支链(8)带动第一中心块(7)向远离压电驱动装置(6)的方向运动，进而带动力传递元件(9)向远离压电驱动装置(6)的方向运动；力传递元件(9)的位移使其短梁和被标定力传感器受力元件接触并相互作用，将标定力施加到被标定力传感器的同时，短梁自身也受到反作用力而产生形变，导致应变片(10)阻值发生变化；应变片(10)的阻值变化通过惠斯通电桥电路转换为与加载装置所施加标定力相对应的输出电压；再利用提前标定好的惠斯通电桥输出电压与力传递元件(9)短梁受力间的对应关系，即通过检测被标定力传感器过程中惠斯通电桥的输出电压来推算出加载装置向被标定力传感器所施加的力值大小；将不同驱动下作用在被标定力传感器上的多个力值与被标定力传感器测得的多个对应数值进行对比，即得到被标定力传感器的测量偏差，完成对力传感器的标定；在标定过程中位于同一直线上的力施加单元(1)能够向被标定力传感器的受力元件施加方向相反的标定力，标定传感器在某一方向受正、负力作用的特性。

2.根据权利要求1所述的一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，其特征在于，所述力施加单元(1)中第一中心块(7)、第二中心块(11)及柔性支链(8)刚度大，在位移放大过程中不发生变形。

3.根据权利要求1所述的一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，其特征在于，所述力施加单元(1)中刚性连接件(5)为矩形，与第一中心块(7)、第二中心块(11)和柔性支链(8)具有相同的厚度，刚度大，在位移放大过程中不发生变形，刚性连接件(5)内侧与压电驱动装置(6)连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，其特征在于，所述力传递元件(9)包括与前组柔性放大机构(4)垂直的两根长梁，连接两根长梁端部的短梁，两片应变片(10)粘贴在短梁上，两根长梁长度为短梁长度的5倍以上，且两根长梁刚度为短梁刚度的100倍以上。

5.根据权利要求1所述的一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，其特征在于，所述力施加单元(1)中的压电驱动装置(6)为压电叠堆。

6.根据权利要求1所述的一种用于多维力传感器标定的两方向力加载装置，其特征在于，所述固定框架(2)为每边中间具有凸起(12)的正方形框架，在装置工作过程中固定框架(2)不移动且不发生变形；所述后组柔性位移放大机构(3)的第二中心块(11)与固定框架(2)对应边中间处的凸起(12)相连接。