專利名稱：多種類型微載荷檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及超精密加工和力學(xué)性能測試領(lǐng)域，特別涉及一種多種類型微載荷檢測裝置。可應(yīng)用于超精密加工技術(shù)及裝備、精密光學(xué)以及航空航天等領(lǐng)域，特別是微載荷檢測和微納米尺度力學(xué)性能測試等技術(shù)領(lǐng)域，本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)多種類型載荷的檢測，在表面形貌檢測、微納力學(xué)測試等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、超精密機(jī)械及其制造等學(xué)科的迅猛發(fā)展，人們對(duì)多種類型微載荷進(jìn)行同時(shí)檢測提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的微載荷檢測通常是僅能檢測一個(gè)方向或是一種性質(zhì)的微載荷，這么做不僅降低了工作效率，而且還不能對(duì)很多復(fù)雜的微載荷進(jìn)行檢測。如果對(duì)一個(gè)含有多種類型的微載荷分別進(jìn)行單一檢測再整合，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，不利于反映出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所揭示的載荷對(duì)試件作用結(jié)果。此外，在微載荷的檢測領(lǐng)域可同時(shí)進(jìn)行多種類型微載荷檢測一直是其技術(shù)難題，從而直接制約了微小載荷的性能測試、半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，限制了現(xiàn)代制造業(yè)的整體水平。因此，有必要設(shè)計(jì)一種既能微載荷檢測，又能對(duì)多種類型微載荷進(jìn)行同時(shí)檢測的裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種多種類型微載荷檢測裝置，解決了傳統(tǒng)的微載荷檢測通常是僅能檢測一個(gè)方向或是一種性質(zhì)的微載荷，工作效率低，而且還不能對(duì)很多復(fù)雜的微載荷進(jìn)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(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，限制了現(xiàn)代制造業(yè)的整體水平等問題。本實(shí)用新型具有可測的最小載荷數(shù)量級(jí)小、可同時(shí)檢測多種類型的載荷、高靈敏度等特點(diǎn)，能夠在微小載荷情況下對(duì)電荷進(jìn)行放大、采集、分析，實(shí)現(xiàn)微小載荷的檢測；同時(shí)，利用彈性元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又能對(duì)多種類型的微載荷同時(shí)進(jìn)行檢測。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)多種類型微載荷檢測裝置，可以實(shí)現(xiàn)拉壓力、扭矩復(fù)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(lián)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(dǎo)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(lián)接，接觸元件1的螺紋部分穿過彈性元件4中央的孔并通過螺母8對(duì)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(shè)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(chǎn)生的電荷不被連接板2吸收。PVDF壓電薄膜7通過導(dǎo)電膠6粘附在彈性元件 4的上面。導(dǎo)電膠6具有良好的導(dǎo)電性能，并且其粘附時(shí)沒有空隙，可實(shí)現(xiàn)加載變形時(shí)產(chǎn)生的電荷易于被采集。所述的PVDF壓電薄膜7采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，相對(duì)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(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與其受到外界載荷作用力的大小密切相關(guān)，利用這一關(guān)系可通過測試其產(chǎn)生的電荷量來實(shí)現(xiàn)對(duì)微小載荷力信號(hào)的檢測。PVDF壓電薄膜7粘附于彈性元件4的上面，當(dāng)彈性元件4彈性變形時(shí)，PVDF壓電薄膜7表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)彈性元件4彈性變形恢復(fù)時(shí)，PVDF 壓電薄膜7因變形而產(chǎn)生的電荷消失。彈性元件4是“十”字形梁的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以承受多種類型的微載荷、承載能力好?？梢栽诙喾较蛭⒓虞d情況下產(chǎn)生變形，進(jìn)而引起與其粘附的PVDF壓電薄膜7產(chǎn)生變形。彈性元件4位于接觸元件1和螺母8之間，當(dāng)有載荷作用于接觸元件1，彈性元件4隨著載荷的加入而變形，載荷撤銷之后，彈性元件4恢復(fù)原來形狀。本實(shí)用新型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(lián)接，當(dāng)載荷作用于接觸元件1時(shí)，使彈性元件4發(fā)生彈性變形，引起與其粘連在一起的PVDF壓電薄膜6發(fā)生形變，根據(jù)壓電材料的特性，PVDF壓電薄膜7的表面產(chǎn)生電荷，通過電荷放大器等裝置對(duì)信號(hào)的處理，得到可以采集的電信號(hào)。通過對(duì)采集的電信號(hào)分析，可以實(shí)現(xiàn)多種類型微載荷的檢測。本實(shí)用新型的積極效果是當(dāng)載荷作用于彈性元件時(shí)，彈性元件將產(chǎn)生彈性變形， 引起與其粘附的PVDF壓電薄膜產(chǎn)生形變，并在其表面產(chǎn)生電荷，通過電荷放大器等一系列的處理采集電信號(hào)，分析比較采集的電信號(hào)，最后可得到所檢測的載荷的性質(zhì)和大小，實(shí)現(xiàn)多種類型微載荷的檢測。由于彈性元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可同時(shí)檢測多種類型的載荷；又由于 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(shí)通過不同厚度、不同尺寸的彈性元件檢測不同量級(jí)多種類型載荷。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)剖視示意圖；圖3為本實(shí)用新型的彈性元件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型的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為本實(shí)用新型的使用實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型中等效電路模型圖；圖7、圖8及圖9為本實(shí)用新型加載情況下工件變形示意圖，其中C為變形前工件， D為變形后工件。圖中1.接觸元件2.連接板3.絕緣膠層4.彈性元件5.聯(lián)接螺釘6.導(dǎo)電膠 7PVDF壓電薄膜 8.螺母
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖6，本實(shí)用新型的多種類型微載荷檢測裝置，可以實(shí)現(xiàn)拉壓力、扭矩復(fù)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(lián)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(dǎo)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(lián)接，接觸元件1的螺紋部分穿過彈性元件4中央的孔并通過螺母8對(duì)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(shè)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(chǎn)生的電荷不被連接板2吸收。PVDF壓電薄膜7通過導(dǎo)電膠6粘附在彈性元件4的上面。導(dǎo)電膠6具有良好的導(dǎo)電性能，并且其粘附時(shí)沒有空隙，可實(shí)現(xiàn)加載變形時(shí)產(chǎn)生的電荷易于被采集。 所述的PVDF壓電薄膜7采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，相對(duì)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(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與其受到外界載荷作用力的大小密切相關(guān)，利用這一關(guān)系可通過測試其產(chǎn)生的電荷量來實(shí)現(xiàn)對(duì)微小載荷力信號(hào)的檢測。PVDF壓電薄膜7粘附于彈性元件4的上面，當(dāng)彈性元件4彈性變形時(shí)，PVDF壓電薄膜7表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)彈性元件4彈性變形恢復(fù)時(shí)，PVDF 壓電薄膜7因變形而產(chǎn)生的電荷消失。彈性元件4是“十”字形梁的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(chǎn)生變形，進(jìn)而引起與其粘附的PVDF壓電薄膜7產(chǎn)生變形。彈性元件4位于接觸元件1和螺母8之間，當(dāng)有載荷作用于接觸元件1，彈性元件4隨著載荷的加入而變形，載荷撤銷之后，彈性元件4恢復(fù)原來形狀。本實(shí)用新型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(lián)接，當(dāng)載荷作用于接觸元件1時(shí)，使彈性元件4發(fā)生彈性變形，引起與其粘連在一起的PVDF壓電薄膜6發(fā)生形變，根據(jù)壓電材料的特性，PVDF壓電薄膜7的表面產(chǎn)生電荷，通過電荷放大器等裝置對(duì)信號(hào)的處理，得到可以采集的電信號(hào)。通過對(duì)采集的電信號(hào)分析，可以實(shí)現(xiàn)多種類型微載荷的檢測。本實(shí)用新型的具體工作過程如下初始狀態(tài)沒有載荷作用于接觸元件1時(shí)，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)。對(duì)接觸元件1加載， 由于接觸元件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(chǎn)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(fā)生變形； PVDF壓電薄膜7受載荷變形表面產(chǎn)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(duì)電荷進(jìn)行放大，放大后的電荷通過信號(hào)采集器進(jìn)行采集，最后將采集的信號(hào)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)诫娔X中，通過分析采集的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種類型微載荷的檢測。當(dāng)卸下載荷時(shí)，沒有載荷作用于接觸元件1，彈性元件4變形恢復(fù)到初始狀態(tài)。彈性元件4為可更換元件，根據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同量級(jí)的多種類型載荷的檢測。PVDF壓電薄膜7在受到載荷作用時(shí)產(chǎn)生形變，根據(jù)壓電效應(yīng)PVDF壓電薄膜7表面產(chǎn)生電荷。所受的載荷性質(zhì)不同時(shí)產(chǎn)生電荷的極性也不同。當(dāng)接觸元件1表面受正壓力 F時(shí)，PVDF壓電薄膜7上表面受壓下表面受拉如圖7所示；當(dāng)接觸元件1表面受正拉力力F 時(shí)，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(shí)可將其等效為扭轉(zhuǎn)彎矩M，當(dāng)橫向載荷方向不同時(shí)其作用點(diǎn)兩側(cè)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(yīng)的機(jī)理是具有壓電性的晶體對(duì)稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合， 導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，并且材料體內(nèi)之電偶極矩會(huì)因受力而發(fā)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(shí)，壓電材料兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷。在進(jìn)行多種類型微載荷檢測時(shí)，載荷F作用于于壓電元件，在相應(yīng)的表面上將產(chǎn)生電荷，即Q = ClijF (1)式中Q——表面電荷；Cli」——壓電常數(shù)。為壓電常數(shù)，其中下標(biāo)i為產(chǎn)生極化電荷的面法線方向，當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于χ軸(y軸或ζ軸)，記做i = K2或3)；下標(biāo)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(yīng)力，j = 4、5、6為垂直于χ軸、y軸、ζ軸的平面內(nèi)的切應(yīng)力。 將機(jī)械拉伸方向定為χ方向，外加極化電場(即垂直于薄膜試樣表面)方向取為ζ方向，位于薄膜內(nèi)，且與χ和ζ都垂直的方向定為y方向。由壓電方程q= Clij σ (2)式中q——電荷表面密度(C/m2) σ —單位面積上的作用力(N/m2)將壓電元件在任意受力狀態(tài)下各個(gè)方向的壓電方程聯(lián)合寫成壓電方程組的形式， 表示如下
權(quán)利要求1.一種多種類型微載荷檢測裝置，其特征在于包括固定單元、接觸單元和敏感單元； 所述的固定單元包括連接板(2)和聯(lián)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(dǎo)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(lián)接，接觸元件(1)的螺紋部分穿過彈性元件(4)中央的孔并通過螺母(8)對(duì)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(shè)有絕緣膠層(3) ； PVDF壓電薄膜(7)通過導(dǎo)電膠 (6)粘附在彈性元件(4)的上面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多種類型微載荷檢測裝置，其特征在于所述的PVDF壓電薄膜(7 )采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，相對(duì)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(jù)權(quán)利要求1所述的多種類型微載荷檢測裝置，其特征在于所述的彈性元件(4) 是“十”字形梁的結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種多種類型微載荷檢測裝置，屬于超精密加工和力學(xué)性能測試領(lǐng)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(lián)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(dǎo)電膠和PVDF壓電薄膜。當(dāng)載荷作用于接觸元件時(shí)，在載荷作用下彈性元件將發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致與其粘連的PVDF壓電薄膜產(chǎn)生形變，依據(jù)壓電材料的壓電特性，PVDF壓電薄膜表面將產(chǎn)生電荷，電荷放大器等裝置對(duì)信號(hào)的處理，得到可以采集的電信號(hào)。通過采集的電信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)多種類型微載荷的檢測。本實(shí)用新型主要是通過彈性元件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從而可測出多種類型的微載荷。同時(shí)可以通過不同厚度、不同尺寸的彈性元件進(jìn)行不同量級(jí)多種類型載荷的檢測。
文檔編號(hào)G01L1/16GK202101798SQ20112017606
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者萬順光, 楊潔, 王小月, 米杰, 耿春陽, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)