应变式微纳米级微纳米位移传感器制造技术

应变式微纳米级微纳米位移传感器，其特征是设置由各刚性杆体和柔性铰链构成的检测单元具有杠杆式位移量一级放大机构和位移量二级放大机构，本发明专利技术通过多级放大，使弹性体上的应变片能够检测到被测物体的移动，并通过外部信号采集和处理设备，获得检测结果。本发明专利技术具有高集成度、小体积、低能耗、高精度、低成本的优势，其结构简单、灵敏度高、易标定、可靠性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及位移测量装置，更具体地说是一种微纳米级位移测量装置。
技术介绍
随着工业和科学研究的迅速发展，目前人类正在积极开展和进行微观领域的学术研究和 实际应用，随着原子力显微镜的专利技术，使制造业向着微、纳米级别靠近，这就对传统的信息 获取手段和技术提出了更高要求。就微位移测试系统来说，目前用于获取微位移的微位移传 感器的主要结构结构形式有光学传感器，即激光干涉仪，激光干涉薄膜等，是应用光学原理进行测量，此类技术现在已经成熟，分辨率可以达到lnm左右。但是，其相对高昂的价格和需要较大的空间以放置 装置设备，对于大规模应用于工业、教学和科研等领域受到了极大的限制。化学传感器，利用化学反应测量位移，此种传感器抗干扰能力差，响应频率低，还没有 能够大规模适用于生产和科研。电容传感器，电容传感器具备很高的分辨率和响应频率，而且在实际生产和科研中有一 定的应用，但是电容传感器中的电容膜片加工工艺要求严格，极容易产生加工制造误差，进 而影响传感器的精度，电容传感器的行程小，线性度差，这一点也影响了其使用范围。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种结构紧凑、空间需求小、分 辨率高、量程大、线性度高而且制造加工成本较低的应变式微纳米级位移测量装置及测量方 法。以期能够广泛应用于原子力显微镜操作平台等一系列微纳米级别的实验台中，作为重要 的位移信息获取手段。本专利技术解决技术问题采用如下技术方案本专利技术应变式微纳米级微纳米位移传感器的结构特点是设置由各刚性杆体和柔性铰链 构成的检测单元为位移量一级放大机构，具有呈"L"形设置的一级杠杆，其一级短杆为输入臂，其一级 长杆为输出臂，其与固定座连接的短杆端柔性铰链为一级支点， 一级被测位移量形成在一极 短杆上，以其与二级放大机构连接的长杆端柔性铰链为被测位移量一级输出端；位移量二级放大机构，具有直杆段杠杆，其一端以直杆端柔性铰链与固定座连接，另一端是与多自由度构件相连接的弹性体；以直杆端柔性铰链为二级支点，长杆端柔性铰链到二 级支点的距离为短臂，以长杆端柔性铰链到弹性体的距离为长臂；多自由度构件，具有一段连接在弹性体的另一端、作为直杆段杠杆的延伸的承接杆，承 接杆以其杆端柔性铰链呈"L"形连接基座杆，基座杆的杆端通过基座柔性铰链连接在固定 座上；信号检测机构，是在弹性体上设置应变片。 本专利技术应变式微纳米级位移传感器的结构特点也在于呈"T"形设置作用杆，两组检测单元在同一水平面上分处于所述作用杆的两侧，对称 设置；"T"形作用杆上水平杆的两杆端分别通过作用杆柔性铰对称连接在位移量一级放大机 构中的短杆上，形成"T"形左右对称检测单元。"T"形左右对称检测单元在立面上分层设置；各层间的作用杆为联动杆。。本专利技术通过多级放大，使弹性体上的应变片能够检测到被测物体的移动，并通过外部信 号采集和处理设备，获得检测结果。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在本专利技术具有高集成度、小体积、低能耗、高精度、低成本的优势，其结构简单、灵敏度 高、易标定、可靠性好。附图说明图1为本专利技术检测单元结构示意图。图2为本专利技术形成"T"形左右对称检测单元结构示意图。图3为本专利技术具体实施方式结构示意图。图4为传感器信息获取中应变片组桥的示意图。图5为传感器信息获取示意图。图6为传感器信号采集与处理流程图。图中标号11 一级短杆、12 —级长杆、13短杆端柔性铰链、14长杆端柔性铰链；21直杆段杠杆、22直杆端柔性铰链；3弹性体；41承接杆、42杆端柔性铰链、43基座杆、44基座柔性铰链；5作用杆;.6顶板；7外框；8定位孔。以下通过具体实施方式，并结合附图对本专利技术作进一步说明。具体实施方式参见图1，本实施例中由各刚性杆体和柔性铰链构成的检测单元具体结构设置为 设置位移量一级放大机构，具有呈"L"形设置的一级杠杆，其一级短杆ll为输入臂， 其一级长杆12为输出臂，其与固定座连接的短杆端柔性铰链13为一级支点， 一级被测位移 量形成在短杆11上，以其与二级放大机构连接的长杆端柔性铰链14为被测位移量一级输出上山顿；设置位移量二级放大机构，具有直杆段杠杆21，其一端以直杆端柔性铰链22与固定座 连接，另一端是与多自由度构件相连接的弹性体3;以直杆端柔性铰链22为二级支点，长 杆端柔性铰链14到二级支点的距离为短臂，以长杆端柔性铰链14到弹性体3的距离为长臂；设置多自由度构件，具有一段连接在弹性体3的另一端、作为直杆段杠杆21的延伸的 承接杆41，承接杆41以其杆端柔性铰链42呈"L"形连接基座杆43，基座杆43的杆端通 过基座柔性铰链44连接在固定座上；设置信号检测机构，在弹性体3上设置应变片。具体实施中，可以采用形成"T"形左右对称检测单元的结构形式，如图2所示，呈"T" 形设置作用杆5，两组检测单元在同一水平面上分处于作用杆5的两侧，对称设置；"T"形 作用杆上水平杆的两杆端分别通过作用杆柔性铰51对称连接在位移量一级放大机构中的一 级短杆11上，形成"T"形左右对称检测单元。整个检测单元可以设置为以外框7为固定座的立面结构，如图3所示，将"T"形左右 对称检测单元在立面上分层设置；各层间的作用杆5以顶板6作为联动体，由顶板6带动各 层面上的作用杆发生位移，使各层面上的检测单元同时工作，此时由于存在多组应变片，所 以传感器精度可以得到大幅提高。可以在外框7上设置定位孔8，由定位孔8将传感器固定 在需要进行测试的平台上，安装十分方便。具体实施中相应的结构设置和动作原理也包括位移量一级放大机构、位移量二级放大机构、弹性体和多自由度构件均为一体式结构， 选用的材料为35CrMnSi;以各柔性铰链和各刚体杆件作为行程放大机构，各柔性铰链为储 能元件同时传递各杆件处的作用力；弹性体3的厚度很薄，杆端柔性铰链42和基座柔性铰 链44作为从动机构，并提供弹性体3的水平和竖直方向上的自由度；柔性铰链是通过材料的弹性形变来工作的，因此选用的材料要有良好的弹性恢复性能及 刚度。欲使柔性铰链能产生较大的变形，从材料的角度就要有较大的强度极限与弹性模量比。35CrMnSiA合金钢具有最高的强度极限与弹性模量比，尤其适合于制作高精度的弹性敏感元件，材料密度P-8.23kg/m3,泊松比u=0.28。通过调节柔性铰链的自身参数和与其相连接的杠杆的位置可以调整微位移的放大倍数， 例如，在图1中，设置一级长杆12为15腿， 一级短杆11为4誦，位移输入端位置在一级 短杆的正中间；直杆段杠杆的21的长度为15mm，其中长杆端柔性铰链14与直杆端柔性铰 链22的距离为3mm;承接杆41和基座杆43的长度均为3mm。此时放大比K为， 一级放大《-^二7.5; 二级放大&=^^ = 5，总放大比K =《xK2=37.5，也就是当位移输入端 的位移输入S为S:5pm，在弹性体3的上端位移输出为-S x5 =37.5><5检测原理图1所示，由一级短杆ll接收被测位移量，带动短杆端柔性铰链13转动，由于杠杆原理，在长杆端柔性铰链14的位置处起到一级放大，放大比可以通过设置柔性铰链与杆件之 间的相对位置进行调节；长杆端柔性铰链14的位移量进一歩在位移量二级放大机构中得到 放大；应变片的变形量由弹性体3提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
应变式微纳米级微纳米位移传感器，其特征是设置由各刚性杆体和柔性铰链构成的检测单元为：　位移量一级放大机构，具有呈“Ｌ”形设置的一级杠杆，其一级短杆（１１）为输入臂，其一级长杆（１２）为输出臂，其与固定座连接的短杆端柔性铰链（１３）为一级支点，一级被测位移量形成在一极短杆（１１）上，以其与二级放大机构连接的长杆端柔性铰链（１４）为被测位移量一级输出端；　位移量二级放大机构（２），具有直杆段杠杆（２１），其一端以直杆端柔性铰链（２２）与固定座连接，另一端是与多自由度构件相连接的弹性体（３）；以所述直杆端柔性铰链（２２）为二级支点，长杆端柔性铰链（１４）到二级支点的距离为短臂，以长杆端柔性铰链（１４）到弹性体（３）的距离为长臂；　多自由度构件（４），具有一段连接在所述弹性体（３）的另一端、作为直杆段杠杆（２１）的延伸的承接杆（４１），承接杆（４１）以其杆端柔性铰链（４２）呈“Ｌ”形连接基座杆（４３），基座杆（４３）的杆端通过基座柔性铰链（４４）连接在固定座上；　信号检测机构，是在所述弹性体（３）上设置应变片。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余永，宋博，杨卫超，葛运建，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]