一种微纳米精度测量位移传感器、系统及制备方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种微纳米精度测量位移传感器。

背景技术：

位移传感器根据测量原理的不同，可分为多种类型，其中，电容式位移传感器被广泛应用于机构的位移测量中；传统电容传感器通过调整电极的安装布置方式，可以实现位移的精确测量；但是对于微纳米位移的测量来说，传统的电容传感器由于精度误差较大无法测量微纳米级别的位移量，所以，要实现微纳米位移的精确测量，不仅对电容电极的安装有极大的要求，而且对于电路设计也有着极大的挑战。

技术实现要素：

本发明提供了一种微纳米精度测量位移传感器、系统及制备方法，以解决传统传感器无法对微纳米位移进行精确测量的技术问题，从而实现对微纳米级别的位移进行精确测量。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种微纳米精度测量位移传感器，包括具有反向增益的柔顺机构、位移测量电极和用于整体封装的传感器外壳；

所述柔顺机构采用一体化加工成型技术连接在所述传感器外壳上，所述柔顺机构的首端具有被测位移接触输入端，所述柔顺机构的末端具有输出端运动电极；

所述位移测量电极包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和第二电极分别设置在所述运动电极的左端的上下方，所述第三电极和第四电极分别设置在所述运动电极的右端的上下方，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极均固定连接与所述传感器外壳上，所述运动电极与所述第一、第二电极和所述第三、第四电极共同构成两组差动式位移测量电路，通过外接读取处理电路，实现微纳米位移测量。

作为优选方案，所述运动电极为金属薄片。

相应地，本发明实施例还提供了一种微纳米精度测量系统，包括信号处理模块、显示器和本发明所述的传感器；

所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和运动电极通过导线与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述显示器的输入端连接，所述信号处理模块用于接收两组差动式电容电压信号，通过分析处理将该信号转变为输入端位移大小，并将位移大小传输到所述显示器进行显示。

作为优选方案，所述测量系统还包括服务器，所述服务器上具有控制系统接口，所述信号处理模块的输出端与所述控制系统接口连接，可以通过所述服务器对所述位移大小进行控制，实现人机交互功能。

相应地，本发明实施例还提供了一种用于制备本发明所述传感器的方法，包括：

优化几何模型的准备，采用矩形板划分单元网格，对划分后的网格采用simp方法建立模型；

对建立后的模型进行优化迭代，得到具有最大化反向增益的柔顺机构；

采用一体化加工成型技术将所述柔顺机构固定连接在传感器外壳上；

在所述传感器外壳上设置四个位移测量电极，所述四个位移测量电极分别设置于柔顺机构运动电极的左端上下方和右端上下方。

作为优选方案，所述建立的模型为：

find(x1,x2,...,xn)

minuout/uin

s.t.v/v0＝f

式中：xn(n＝1,2,…,,n)为设计区域的单元密度，uout为柔顺机构输出端位移，uin为柔顺机构输入端位移，v为设计区域当前体积，v0为设计区域初始体积，f为允许保留的材料体积分数。

作为优选方案，所述进行优化迭代运用了优化准则算法进行优化迭代。

作为优选方案，所述矩形板的长和宽根据应用场合与所测量位移模型大小进行变化。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

通过使用具有反向增益的柔顺机构，以解决传统传感器无法对微纳米位移进行精确测量的技术问题，从而实现对微纳米级别的位移进行精确测量。

附图说明

图1：为本发明实施例中的微纳米精度测量位移系统的结构示意图；

其中，说明书附图的附图标记如下：

1、具有反向增益的柔顺机构，2、位移测量电极，3、传感器外壳，4、被测位移接触输入端，5、输出端运动电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

请参照图1，本发明优选实施例提供了一种微纳米精度测量位移传感器，包括具有反向增益的柔顺机构1、位移测量电极2和用于整体封装的传感器外壳3；

所述柔顺机构1采用一体化加工成型技术连接在所述传感器外壳3上，所述柔顺机构1的首端具有被测位移接触输入端4，所述柔顺机构1的末端具有输出端运动电极5；

所述位移测量电极2包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和第二电极分别设置在所述运动电极5的左端的上下方，所述第三电极和第四电极分别设置在所述运动电极5的右端的上下方，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极均固定连接与所述传感器外壳3上，所述运动电极5与所述第一、第二电极和所述第三、第四电极共同构成两组差动式位移测量电路，通过外接读取处理电路，实现微纳米位移测量。

在本实施例中，所述运动电极5为金属薄片。

相应地，本发明优选实施例还提供了一种微纳米精度测量系统，包括信号处理模块、显示器和本发明所述的传感器；

所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和运动电极5通过导线与所述信号处理模块的输入端4连接，所述信号处理模块的输出端与所述显示器的输入端4连接，所述信号处理模块用于接收两组差动式电容电压信号，通过分析处理将该信号转变为输入端4位移大小，并将位移大小传输到所述显示器进行显示。

在本实施例中，所述测量系统还包括服务器，所述服务器上具有控制系统接口，所述信号处理模块的输出端与所述控制系统接口连接，可以通过所述服务器对所述位移大小进行控制，实现人机交互功能。

相应地，本发明优选实施例还提供了一种用于制备本发明所述传感器的方法，包括：

优化几何模型的准备，采用矩形板划分单元网格，对划分后的网格采用simp方法建立模型；

对建立后的模型进行优化迭代，得到具有最大化反向增益的柔顺机构；

采用一体化加工成型技术将所述柔顺机构固定连接在传感器外壳上；

在所述传感器外壳上设置四个位移测量电极，所述四个位移测量电极分别设置于柔顺机构运动电极的左端上下方和右端上下方。

在本实施例中，所述建立的模型为：

find(x1,x2,...,xn)

minuout/uin

s.t.v/v0＝f

式中：xn(n＝1,2,…,,n)为设计区域的单元密度，uout为柔顺机构输出端位移，uin为柔顺机构输入端位移，v为设计区域当前体积，v0为设计区域初始体积，f为允许保留的材料体积分数。

在本实施例中，所述进行优化迭代运用了优化准则算法进行优化迭代。

在本实施例中，所述矩形板的长和宽根据应用场合与所测量位移模型大小进行变化。

下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明所采用的技术方案是机械式结构位移放大和位移检测相结合的方法，主要分为三个部分：

一是柔顺机构，区别于传统机构传递运动、力和能量的方式，柔顺机构通过自身结构构件弹性变形来实现的，本发明中，柔顺机构通过拓扑优化方法设计得到，在设计过程中，通过对机构体积的约束，得到具有给定反向增益系数的位移放大机构。其设计步骤如下：

1、优化模型准备

优化几何模型采用长宽分别为a和b的矩形板(a和b根据传感器所应用场合与所测量位移模型大小给定)，划分有限单元网格，对划分后的网格进行采用simp方法进行如下建模：

find(x1,x2,...,xn)

minuout/uin

s.t.v/v0＝f

式中：xn(n＝1,2,…,,n)为设计区域的单元密度，uout为柔顺机构输出端位移，uin为柔顺机构输入端位移，v为设计区域当前体积，v0为设计区域初始体积，f为允许保留的材料体积分数。

2、优化计算

对上述模型运用oc算法进行优化迭代，得到具有最大化反向增益的柔顺机构，对优化后的模型提取得到图1中1所示的柔顺机构。该机构由单个零件组成，在位移输入端和输出端具有确定增益关系，这样设计的好处是柔顺机构运动无需润滑，同时避免了安装定位间隙带来的误差，大大提高了位移从输入端到输出端的传递效率与精度，为微纳米位移测量提供了保障；

二是位移测量，柔顺机构末端粘接有金属薄片，其运动方式和在输入作用下输出端运动方式相同，将该金属薄片作为电容的运动电极，该运动电极与固定电极(分别设置在运动电极左端的上下方的第一电极、第二电极)和固定电极(分别设置在运动电极右端的上下方的第三电极、第四电极)共同构成两组差动式电容。将四个固定电极和运动电极5通过导线引出至传感器外部，连接至外部信号处理模块；

三是外部信号处理模块：该模块主要用来检测两组差动式电容电压信号的变化情况，并且通过分析处理，将该信号转变为输入端位移大小，并予显示，同时，该信号还可以进一步输送至控制系统中，便于对输入位移进行控制。其信号处理过程为：

当电容传感器的εr和s为常数，两极板间间距为d0时，可知该电容初始电容量c0为：

当柔顺机构输入端位移发生变化，引起输出端位移变化时，电容两极板间的板件距离发生变化，引起电容变化，其变化后电容总的电容量c为：

由运动电极5与固定电极(分别设置在运动电极左端的上下方的第一电极、第二电极)和固定电极(分别设置在运动电极右端的上下方的第三电极、第四电极)共同构成两组差动式电容，则由上式进行展开，得到在差动电容下电容量的变化与电容电极间距离变化的关系为：

由于有两组差动式电容，可以分别计算得到两个电极间的距离变化量δd，对二者δd取平均值作为柔顺机构输出端位移变化量以减少误差。将该平均位移大小通过柔顺机构的反向增益系数计算即可求得输入端位移大小，即被测位移的大小。

采用该传感器进行微纳米位移的测量，对设计具有特定运动方式的精密定位机构具有一定的指导意义；采用上述设计方法得到的柔顺机构，与传感器外壳进行一体化加工制造，一同一体化制造的还有四个固定电极，一体化加工制造确保了传感器的各个部件之间的连接，不存在任何安装间隙，提高了整体精度，在柔顺机构输入位移端处，传感器外壳为薄膜式结构，用于实现被测位移的输入；将传感器内部五个电极分别引出导线，同外部数据处理模块进行连接，实现位移数据的采集；在进行位移测量过程中，需要对传感器进行适当的安装，以实现被测位移在位移方向作用于薄膜的输入。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。