本实用新型属于压力测试技术改进领域，尤其涉及一种力与位置标定装置。
背景技术：
目前在自动化行业，我们常常需要知道某个轴的重复性或移动精度，现在常规手段一般使用工业摄像头、标定板或者其他专用仪器设备，这些方法都不够简单易于使用。例如工业摄像头要标定Z轴的重复性或移动精度，投资成本较高；使用标定板标定操作繁琐精度较低，而且时效性较低；如果使用专业位置测量仪器，例如3轴激光干涉仪，一时投资成本较高、操作繁琐、体积太大，只适合在实验室环境使用，无法在生产工厂大规模使用。
在很多电子产品测试设备上，往往需同时标定Z轴的重复性及移动精度和Z轴的按压力大小，并要求标定仪器体积较小且易于使用；传统标定方法只能解决其中单个需求，需同时标定位置和力，目前无很好的产品能同时解决这个行业难题。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种力与位置标定装置，旨在解决上述的技术问题。
本实用新型是这样实现的，一种力与位置标定装置，所述力与位置标定装置包括壳体及PCB板，所述PCB板设于所述壳体内，所述PCB板上设有调零模块、前级放大模块、后级放大模块、同比例反向输出模块、一阶低通滤波模块、AD转换模块、显示模块及电源接口模块，所述电源接口模块的输出端分别连接所述调零模块的输入端及前级放大模块的输入端，所述调零模块的输出端及前级放大模块的输出端分别连接所述后级放大模块的输入端，所述后级放大模块的输出端连接所述同比例反向输出模块的输入端，所述同比例反向输出模块的输出端连接所述一阶低通滤波模块的输入端，所述一阶低通滤波模块的输出端连接所述AD转换模块的输入端，所述AD转换模块的输出端连接所述显示模块的输入端。
本实用新型的进一步技术方案是：所述前级放大模块包括应变片、可调电阻VR2及芯片U1，所述应变片的一端连接所述芯片U1的+IN脚，所述应变片的另一端连接所述芯片U1的-IN脚，所述芯片U1的RG1脚连接所述可调电阻VR2的一端，所述芯片U1的RG2脚连接所述可调电阻VR2的另一端，所述芯片U1的+VS脚连接所述电源接口模块的输出+12V，所述芯片U1的-VS脚连接所述电源接口模块的输出-12V。
本实用新型的进一步技术方案是：所述芯片U1采用的是AD620芯片。
本实用新型的进一步技术方案是：所述后级放大模块包括放大器U3、电阻R3、电阻R4、电阻R5及电阻R6，所述放大器U3的-输入端分别连接所述电阻R3的一端、电阻R4的一端及电阻R5的一端，所述放大器U3的+输入端连接所述电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R5的另一端连接所述芯片U1的OUTPUT脚。
本实用新型的进一步技术方案是：所述同比例反向输出模块包括放大器U4、电阻R7、电阻R8及电阻R9，所述放大器U4的-输入端分别连接所述电阻R8的一端及电阻R7的一端，所述放大器U3的+输入端连接所述电阻R9的一端，所述电阻R9的另一端接地，所述电阻R8的另一端分别连接所述放大器U3的输出端及电阻R3的另一端，所述电阻R7的另一端及放大器U4的输出端分别连接所述一阶低通滤波模块的输入端。
本实用新型的进一步技术方案是：所述调零模块包括放大器U2及电阻器VR1，所述放大器U2的+输入端连接所述电阻器VR1的可调端，所述电阻器VR1的一端连接所述电源接口模块的输出+12V，所述电阻器VR1的另一端连接所述电源接口模块的输出-12V，所述放大器U2的输出端及放大器U2的-输入端分别连接所述电阻R4的另一端。
本实用新型的进一步技术方案是：所述放大器U2、放大器U3及放大器U4均采用TLO74C运放。
本实用新型的进一步技术方案是：所述壳体包括底盒及上盖，所述上盖通过螺钉固定于所述底盒上。
本实用新型的进一步技术方案是：所述上盖的一端上设有一通孔，所述上盖的另一端设有一方形的凹槽。
本实用新型的进一步技术方案是：所述底盒的下侧板上设有通孔和电源插接口，所述底盒的边侧板上设有一按钮盖板。
本实用新型的有益效果是：精确测量探针按压点的位置坐标而且还可以同时精确测量按压力的大小；并且操作非常方便、时效性强、尺寸小巧、成本较低，并可通过数字显示屏及USB两种模式输出的优势。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的三个力传感器成等边三角形方式的示意图一。
图2是本实用新型实施例提供的三个力传感器成等边三角形方式的示意图二。
图3是本实用新型实施例提供的力与位置标定装置的结构示意图。
图4是本实用新型实施例提供的电气结构框图。
图5是本实用新型实施例提供的电气结构原理图。
具体实施方式
附图标记：
如图1所示，本实用新型提供的力与位置标定装置，所述力与位置标定装置包括壳体及PCB板，所述PCB板设于所述壳体内，所述PCB板上设有调零模块、前级放大模块、后级放大模块、同比例反向输出模块、一阶低通滤波模块、AD转换模块、显示模块及电源接口模块，所述电源接口模块的输出端分别连接所述调零模块的输入端及前级放大模块的输入端，所述调零模块的输出端及前级放大模块的输出端分别连接所述后级放大模块的输入端，所述后级放大模块的输出端连接所述同比例反向输出模块的输入端，所述同比例反向输出模块的输出端连接所述一阶低通滤波模块的输入端，所述一阶低通滤波模块的输出端连接所述AD转换模块的输入端，所述AD转换模块的输出端连接所述显示模块的输入端。
所述前级放大模块包括应变片、可调电阻VR2及芯片U1，所述应变片的一端连接所述芯片U1的+IN脚，所述应变片的另一端连接所述芯片U1的-IN脚，所述芯片U1的RG1脚连接所述可调电阻VR2的一端，所述芯片U1的RG2脚连接所述可调电阻VR2的另一端，所述芯片U1的+VS脚连接所述电源接口模块的输出+12V，所述芯片U1的-VS脚连接所述电源接口模块的输出-12V。
所述芯片U1采用的是AD620芯片。
所述后级放大模块包括放大器U3、电阻R3、电阻R4、电阻R5及电阻R6，所述放大器U3的-输入端分别连接所述电阻R3的一端、电阻R4的一端及电阻R5的一端，所述放大器U3的+输入端连接所述电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R5的另一端连接所述芯片U1的OUTPUT脚。
所述同比例反向输出模块包括放大器U4、电阻R7、电阻R8及电阻R9，所述放大器U4的-输入端分别连接所述电阻R8的一端及电阻R7的一端，所述放大器U3的+输入端连接所述电阻R9的一端，所述电阻R9的另一端接地，所述电阻R8的另一端分别连接所述放大器U3的输出端及电阻R3的另一端，所述电阻R7的另一端及放大器U4的输出端分别连接所述一阶低通滤波模块的输入端。
所述调零模块包括放大器U2及电阻器VR1，所述放大器U2的+输入端连接所述电阻器VR1的可调端，所述电阻器VR1的一端连接所述电源接口模块的输出+12V，所述电阻器VR1的另一端连接所述电源接口模块的输出-12V，所述放大器U2的输出端及放大器U2的-输入端分别连接所述电阻R4的另一端。
所述放大器U2、放大器U3及放大器U4均采用TL074C运放。
所述壳体包括底盒10及上盖20，所述上盖20通过螺钉固定于所述底盒10上。
所述上盖20的一端上设有一通孔201，所述上盖20的另一端设有一方形的凹槽202。
所述底盒10的下侧板上设有通孔201和电源插接口102，所述底盒10的边侧板上设有一按钮盖板101。
力与位置标定模块需要实现力与位置的同时精确测量，并要求其位移测量精度在±0.02mm以内；且要求设备的体积小巧，高度小于35mm以下，以方便标定设备能方便在设备中应用。
我们知道做力的精确标定比较方便，仅需应用精度较高的力传感器即可；但是要做位移的精确测量比较困难，一般应用视觉标定或者其他测量设备。这样很难同时实现力与位置的测量，并将设备体积做的很小。
本产品创造性地应用高精度力传感器做等边三角形布置，通过原理计算，可以实现同时测量按压力的同时，并测量按压点的坐标；很好地解决了仅通过力传感器就可以同时校准力和坐标的理论难题。但是要将设备做的比较小巧，尤其是高度要做到35mm以下则难度比较大，因为市场上销售的高精度力传感器高度都是比较高的，很多光传感器的高度都已经超过了35mm，无法满足要求。我们通过技术攻关，设计了一款呈等边三角形一体化布置的高精度力传感器，传感器的高度仅只有4mm，很好地解决了高精度传感器的问题。但是我们知道高精度力传感器要能实现高精度测量，其配套的小信号放大器也是非常重要，目前市场上很难有满足放大精度达千分之一精度比体积很小的放大器。准对这个技术难点，我们通过技术攻关，将三路毫伏级小信号高精度放大电路及AD数模转换电路模块接合到一个PCB电路板上，成功解决了小信号放大电路及数模电路集成问题，并为产品小型化奠定了坚实基础，小信号高精度放大电路。
正是由于攻克了以上几大难点，产品的才顺利研发成功，成品如下图3所示。
主要技术指标：
长x宽x高：140mm x 82mm x 33mm
测量量程：1g-1kg
相对位移精度：±0.02mm
最小响应质量：100mg
力误差率：0.9％
传感器灵敏度：1.5±10％mV/V
供电类型：USB
信号输出形式：USB、屏幕数显
本方案的计算原理如下：
本设计方案采用三个高精度力传感器呈等边三角形进行布置，当Z轴探针按压此等边三角形内部时，通过三个高精度力传感器输出的支反力，即可以计算出探针在此三角形中的位置坐标；三个力传感器输出的支反力合力即是Z轴探针按压力的大小。
在等边三角形中，一个未知力按压在三角形内部区域，如果各支点的分力Fa、Fb、Fc的大小已知，则可以求出总力F及按压点的坐标值(x，y)；各支点力的大小通过力传感器进行测量；建立如图1、2所示的坐标O”，则按压点O的坐标及按压力大小F表达式如下所示：
F＝FA+FB+FC+G，
说明：F：为探针按压总力，单位为N；
x0：为探针按压点的横坐标值，单位mm；
y0：为探针按压点的纵坐标值，单位mm；
G：为三个力传感器上的支撑盘的重量，单位为N。
通过以上计算公式即可以计算一次的按压点的坐标值及按压力，当轴移动一定距离后，再一次按压在三角区区域时，则可以计算出另一点的坐标值和按压力，通过这这两点坐标即可以计算出移动的距离值大小。
本申请为了满足产品总高低及且传感器精度高的特性，自主开发了一款悬臂梁且三个梁一体化的力传感器，有效满足了设计需求。而市场上已有的高精度力传感器高度均较高，无法实现设备小型化或者难于满足总的设计量程。
市场上已有力传感器放大器精度一般为百分之一的精度，难于满足我们千分之一的精度需求，本发明自主开发了千分之一精度的毫伏级小信号放大电路。
市场上已有力传感器的信号放大器体积一般较大，并且是分开销售，很难做的比较小。并且AD模数转换器的体积也较大；本发明为了实现设备的小巧和易于使用，本发明将三个高精度力传感器的放大电路及AD电路进行了高度集成，使设备的体积小型化打下了坚实基础。
产品可以通过数字显示屏幕和USB两种模式输出结果，使用方便。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。