多種類型微載荷檢測裝置的製作方法
2023-05-01 21:40:16 1
專利名稱：多種類型微載荷檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及超精密加工和力學性能測試領域，特別涉及一種多種類型微載荷檢測裝置。可應用於超精密加工技術及裝備、精密光學以及航空航天等領域，特別是微載荷檢測和微納米尺度 力學性能測試等技術領域，本發明可實現多種類型載荷的檢測，在表面形貌檢測、微納力學測試等領域具有良好的應用前景。
背景技術：
近年來，隨著微電子學、生物醫學、光學、數據存儲、超精密機械及其製造等學科的迅猛發展，人們對多種類型微載荷進行同時檢測提出了越來越高的要求。傳統的微載荷檢測通常是僅能檢測一個方向或是一種性質的微載荷，這麼做不僅降低了工作效率，而且還不能對很多複雜的微載荷進行檢測。如果對一個含有多種類型的微載荷分別進行單一檢測再整合，這樣會產生很大的誤差，不利於反映出實驗現象所揭示的載荷對試件作用結果。此夕卜，在微載荷的檢測領域可同時進行多種類型微載荷檢測一直是其技術難題，從而直接制約了微小載荷的性能測試、半導體技術等領域的發展，限制了現代製造業的整體水平。因此，有必要設計一種既能微載荷檢測，又能對多種類型微載荷進行同時檢測的裝置。
發明內容
本發明的目的在於提供一種多種類型微載荷檢測裝置，解決了傳統的微載荷檢測通常是僅能檢測一個方向或是一種性質的微載荷，工作效率低，而且還不能對很多複雜的微載荷進行檢測；單一檢測再整合誤差大，制約了微小載荷的性能測試、半導體技術等領域的發展，限制了現代製造業的整體水平等問題。本發明具有可測的最小載荷數量級小、可同時檢測多種類型的載荷、高靈敏度等特點，能夠在微小載荷情況下對電荷進行放大、採集、 分析，實現微小載荷的檢測；同時，利用彈性元件的結構特點又能對多種類型的微載荷同時進行檢測。本發明的上述目的通過以下技術方案實現多種類型微載荷檢測裝置，可以實現拉壓力、扭矩複合載荷力測試，包括固定單元、接觸單元和敏感單元；所述的固定單元包括連接板2和聯接螺釘5 ；所述的接觸單元包括接觸元件1和螺母8 ；所述的敏感單元包括絕緣膠層3、彈性元件4、導電膠6和PVDF壓電薄膜7 ；其中，接觸元件1通過螺母8與彈性元件4聯接，接觸元件1的螺紋部分穿過彈性元件4中央的孔並通過螺母8對其緊固；彈性元件4通過螺釘5緊固在連接板2的上面， 彈性元件4與連接板2中間設有絕緣膠層3 ；絕緣膠層3具有良好的絕緣性能，可防止由微載荷作用而產生的電荷不被連接板2吸收。PVDF壓電薄膜7通過導電膠6粘附在彈性元件 4的上面。導電膠6具有良好的導電性能，並且其粘附時沒有空隙，可實現加載變形時產生的電荷易於被採集。所述的PVDF壓電薄膜7採用串聯結構，相對兩端的PVDF壓電薄膜7的極性相同， 相鄰兩端的PVDF壓電薄膜7的極性相反。PVDF壓電薄膜7在微小變形下可產生電荷，產生的電荷量與其受到外界載荷作用力的大小密切相關，利用這一關係可通過測試其產生的電荷量來實現對微小載荷力信號的檢測。PVDF壓電薄膜7粘附於彈性元件4的上面，當彈性元件4彈性變形時，PVDF壓電薄膜7表面產生電荷，當彈性元件4彈性變形恢復時，PVDF 壓電薄膜7因變形而產生的電荷消失。彈性元件4是「十」字形梁的結構，這種結構可以承受多種類型的微載荷、承載能力好。可以在多方向微加載情況下產生變形，進而引起與其粘附的PVDF壓電薄膜7產生變形。彈性元件4位於接觸元件1和螺母8之間，當有載荷作用於接觸元件1，彈性元件4隨著載荷的加入而變形，載荷撤銷之後，彈性元件4恢復原來形狀本發明的多種類型微載荷檢測裝置通過連接板2與其他定位裝置聯接，當載荷作用於接觸元件1時，使彈性元件4發生彈性變形，引起與其粘連在一起的PVDF壓電薄膜6 發生形變，根據壓電材料的特性，PVDF壓電薄膜7的表面產生電荷，通過電荷放大器等裝置對信號的處理，得到可以採集的電信號。通過對採集的電信號分析，可以實現多種類型微載荷的檢測。本發明的積極效果是當載荷作用於彈性元件時，彈性元件將產生彈性變形，引起與其粘附的PVDF壓電薄膜產生形變，並在其表面產生電荷，通過電荷放大器等一系列的處理採集電信號，分析比較採集的電信號，最後可得到所檢測的載荷的性質和大小，實現多種類型微載荷的檢測。由於彈性元件的結構特點，可同時檢測多種類型的載荷；又由於PVDF 壓電薄膜的材料性能，可檢測微小載荷；從而測出多種類型的微載荷。同時通過不同厚度、 不同尺寸的彈性元件檢測不同量級多種類型載荷。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的結構剖視示意圖；圖3為本發明的彈性元件結構示意圖；圖4為本發明的PVDF壓電薄膜電路連接示意圖，其中A為電極的一端，B為電極
的另一端；圖5為本發明的使用實施例結構示意圖；圖6為本發明中等效電路模型圖；圖7、圖8及圖9為本發明加載情況下工件變形示意圖，其中C為變形前工件，D為變形後工件。圖中1.接觸元件 2.連接板 3.絕緣膠層 4.彈性元件 5.聯接螺釘6.導電膠 7PVDF壓電薄膜 8.螺母
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式
。參見圖1至圖6，本發明的多種類型微載荷檢測裝置，可以實現拉壓力、扭矩複合載荷力測試，包括固定單元、接觸單元和敏感單元；所述的固定單元包括連接板2和聯接螺釘5 ；所述的接觸單元包括接觸元件1和螺母8 ；所述的敏感單元包括絕緣膠層3、彈性元件 4、導電膠6和PVDF壓電薄膜7 ；其中，接觸元件1通過螺母8與彈性元件4聯接，接觸元件1的螺紋部分穿過彈性元件4中央的孔並通過螺母8對其緊固；彈性元件4通過螺釘5緊固在連接板2的上面，彈性元件4與連接板2中間設有絕緣膠層3 ；絕緣膠層3具有良好的絕緣性能，可防止由微載荷作用而產生的電荷不被連接板2吸收。PVDF壓電薄膜7通過導電膠6粘附在彈性元件4的上面。導電膠6具有良好的導電性能，並且其粘附時沒有空隙， 可實現加載變形時產生的電荷易於被採集。 所述的PVDF壓電薄膜7採用串聯結構，相對兩端的PVDF壓電薄膜7的極性相同， 相鄰兩端的PVDF壓電薄膜7的極性相反。PVDF壓電薄膜7在微小變形下可產生電荷，產生的電荷量與其受到外界載荷作用力的大小密切相關，利用這一關係可通過測試其產生的電荷量來實現對微小載荷力信號的檢測。PVDF壓電薄膜7粘附於彈性元件4的上面，當彈性元件4彈性變形時，PVDF壓電薄膜7表面產生電荷，當彈性元件4彈性變形恢復時，PVDF 壓電薄膜7因變形而產生的電荷消失。彈性元件4是「十」字形梁的結構，這種結構可以承受多種類型的微載荷、承載能力好。可以在多方向微加載情況下產生變形，進而引起與其粘附的PVDF壓電薄膜7產生變形。彈性元件4位於接觸元件1和螺母8之間，當有載荷作用於接觸元件1，彈性元件4隨著載荷的加入而變形，載荷撤銷之後，彈性元件4恢復原來形狀。本發明的多種類型微載荷檢測裝置通過連接板2與其他定位裝置聯接，當載荷作用於接觸元件1時，使彈性元件4發生彈性變形，引起與其粘連在一起的PVDF壓電薄膜6 發生形變，根據壓電材料的特性，PVDF壓電薄膜7的表面產生電荷，通過電荷放大器等裝置對信號的處理，得到可以採集的電信號。通過對採集的電信號分析，可以實現多種類型微載荷的檢測。本發明的具體工作過程如下初始狀態沒有載荷作用於接觸元件1時，系統處於自由狀態。對接觸元件1加載， 由於接觸元件1通過螺母8與彈性元件4連接在一起，這樣彈性元件4受載荷作用產生彈性變形，與彈性元件4粘附在一起的PVDF壓電薄膜7表面隨彈性元件的變形而發生變形； PVDF壓電薄膜7受載荷變形表面產生電荷，在微載荷情況下電荷變化很小，裝置需通過電荷放大器對電荷進行放大，放大後的電荷通過信號採集器進行採集，最後將採集的信號經 A/D轉換傳輸到電腦中，通過分析採集的電信號，實現多種類型微載荷的檢測。當卸下載荷時，沒有載荷作用於接觸元件1，彈性元件4變形恢復到初始狀態。彈性元件4為可更換元件，根據特定載荷要求可更換為不同厚度、不同尺寸的彈性元件，可實現對不同量級的多種類型載荷的檢測。PVDF壓電薄膜7在受到載荷作用時產生形變，根據壓電效應PVDF壓電薄膜7表面產生電荷。所受的載荷性質不同時產生電荷的極性也不同。當接觸元件1表面受正壓力 F時，PVDF壓電薄膜7上表面受壓下表面受拉如圖7所示；當接觸元件1表面受正拉力力F 時，PVDF壓電薄膜7上表面受拉下表面受壓如圖8所示；接觸元件1表面受橫向載荷作用時可將其等效為扭轉彎矩M，當橫向載荷方向不同時其作用點兩側PVDF壓電薄膜7上下表面所受拉、壓不同，圖9為其中一種形式。其壓電效應的機理是具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合， 導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等於極化強度在表面法向上的投影，並且材料體內之電偶極矩會因受力而發生變化，壓電材料為抵抗這種變化，所以壓電材料受力作用時，壓電材料兩端面會出現異號電荷。在進行多種類型微載荷檢測時，載荷F作用于于壓電元件，在相應的表面上將產生電荷，即Q = ClijF(1)式中Q——表面電荷；Cli」——壓電常數。為壓電常數，其中下標i為產生極化電荷的面法線方向，當產生電荷的表面垂直於χ軸(y軸或ζ軸)，記做i = 1(2或3)；下標j為此方向施加的作用力，j = 1、2、3為沿χ軸、y軸、ζ軸方向的正應力，j = 4、5、6為垂直於χ軸、y軸、ζ軸的平面內的切應力。 將機械拉伸方向定為χ方向，外加極化電場(即垂直於薄膜試樣表面)方向取為ζ方向，位於薄膜內，且與χ和ζ都垂直的方向定為y方向。由壓電方程
權利要求
1.一種多種類型微載荷檢測裝置，其特徵在於包括固定單元、接觸單元和敏感單元； 所述的固定單元包括連接板(2)和聯接螺釘(5);所述的接觸單元包括接觸元件(1)和螺母 (8);所述的敏感單元包括絕緣膠層(3)、彈性元件(4)、導電膠(6)和PVDF壓電薄膜(7);其中，接觸元件(1)通過螺母(8)與彈性元件(4)聯接，接觸元件(1)的螺紋部分穿過彈性元件(4)中央的孔並通過螺母(8)對其緊固；彈性元件(4)通過螺釘(5)緊固在連接板(2)的上面，彈性元件(4)與連接板(2)中間設有絕緣膠層(3) ； PVDF壓電薄膜(7)通過導電膠 (6)粘附在彈性元件(4)的上面。
2.根據權利要求1所述的多種類型微載荷檢測裝置，其特徵在於所述的PVDF壓電薄膜(7 )採用串聯結構，相對兩端的PVDF壓電薄膜(7 )的極性相同，相鄰兩端的PVDF壓電薄膜(7)的極性相反。
3.根據權利要求1所述的多種類型微載荷檢測裝置，其特徵在於所述的彈性元件(4) 是「十」字形梁的結構。
全文摘要
本發明涉及一種多種類型微載荷檢測裝置，屬於超精密加工和力學性能測試領域。包括固定單元、接觸單元和敏感單元；固定單元包括連接板和聯接螺釘；接觸單元包括接觸元件和螺母；敏感單元包括絕緣膠層、彈性元件、導電膠和PVDF壓電薄膜。當載荷作用於接觸元件時，在載荷作用下彈性元件將發生彈性變形，導致與其粘連的PVDF壓電薄膜產生形變，依據壓電材料的壓電特性，PVDF壓電薄膜表面將產生電荷，電荷放大器等裝置對信號的處理，得到可以採集的電信號。通過採集的電信號，可以實現多種類型微載荷的檢測。本發明主要是通過彈性元件結構的特點，從而可測出多種類型的微載荷。同時可以進行不同量級多種類型載荷的檢測。
文檔編號G01N3/56GK102322984SQ201110141470
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者萬順光, 楊潔, 王小月, 米傑, 耿春陽, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請人:吉林大學