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专利名称：集成应变片式两自由度微载荷检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电类，特别涉及一种集成应变片式两自由度微载荷检测装置。 本发明可实现两自由度微载荷的检测，在力学性能测试、摩擦学等领域具有良好的应用前
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背景技术：
近年来，随着纳米力学测试技术、超精密加工及检测技术的发展，对多自由度微载荷检测提出了要求。传统的微载荷检测装置虽然具有高的测试分辨率，但是一般只能测试单方向载荷，并且价格也比较昂贵。对于多方向载荷的测量一般采取单独测量，然后做算法整合，这样难以保证测试的同步性，并且在整合过程中也会产生较大的误差。另外在微纳米力学测试技术中，特别是在划痕测试中，轴向力和横向力的同步检测也一直是一个科学难题。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种集成应变片式两自由度微载荷检测装置，解决了传统的微载荷检测装置只能测试单方向载荷，并且价格也比较昂贵；多方向载荷的测量一般采取单独测量，然后做算法整合，这样难以保证测试的同步性，并且在整合过程中也会产生较大的误差等问题。本实用新型提出一种集成应变片式两自由度微载荷检测装置，该装置可以同时对轴向力和横向力进行检测，结构新颖、紧凑，可以达到毫牛级以上测试分辨率，并且成本低廉，可以广泛运用在划痕测试等有关摩擦学测试的领域中。在超精密加工及装备、力学性能测试、航空航天、微载荷检测、精密测试、摩擦学等领域具有良好的应用前
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ο本实用新的上述目的通过以下技术方案实现集成应变片式两自由度微载荷检测装置，其结构包括柔性机构1、应变片2 9、左右薄板10、中间薄板11及连接孔12，其中，柔性机构1为装置的基体，其上设有连接孔12与其他装置进行连接，该柔性机构1设有左右薄板10及中间薄板11 ；应变片2、3、8、9分别粘接在柔性机构1的左右薄板10的两侧，并通过导线依序串接构成电桥；应变片4、5、6、7分别粘接于柔性机构1的中间薄板11的上下两侧，并通过导线依序串接构成电桥。使用时， 柔性机构1通过其上的连接孔12连接在其他装置上。当载荷作用于柔性机构1时，柔性机构1产生弹性变形，粘接在柔性机构1上的应变片2 9产生相应应变，依据应变片的压阻特性，应变片2 9将产生电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压，应用A/D卡等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。通过采集的电信号，可以实现微载荷的检测。所述的应变片2、3、8、9构成的应变片组与应变片4 7构成的应变片组在载荷测试时分别具有独立性。当柔性机构1承受轴向载荷时，检测应变片2、3、8、9的应变。柔性机构1承受横向载荷时，检测应变片4 7的应变。应变片2 9在载荷作用下产生应变， 应变引起其电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压，电阻的变化量与其受到外界载荷作用力的大小密切相关，利用这一关系可通过测试其产生的电阻的变化量来实现对两自由度载荷力信号的检测。柔性机构1具有以下结构特点可以在轴向和横向微加载情况下产生弹性变形，进而引起与其粘附的应变片2 9产生变形；该柔性机构1可以同时实现对轴向和横向两自由度毫牛级载荷检测。本实用新型的有益效果在于可同时检测两自由度的载荷，由于应变片的压阻特性，可检测毫牛级微小载荷；从而测出两自由度的微载荷。同时通过不同类型的应变片，不同结构尺寸的柔性机构检测不同量级测试分辨率。具有毫牛级测试分辨率、高灵敏度、造价低廉等特点，可以广泛运用在划痕测试等有关摩擦学测试的领域中。

图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型的柔性机构的结构示意图；图3为本实用新型的电桥电路结构示意图；图4、图5为本实用新型的加载情况下工件变形实施例示意图。
具体实施方式
实施例参见图1至图3，本实用新型的集成应变片式两自由度微载荷检测装置，其结构包括柔性机构1、应变片2 9、左右薄板10、中间薄板11及连接孔12，其中，柔性机构1为装置的基体，其上设有连接孔12与其他装置进行连接，该柔性机构1设有左右薄板10及中间薄板11 ；应变片2、3、8、9分别粘接在柔性机构1的左右薄板10的两侧，并通过导线依序串接构成电桥；应变片4、5、6、7分别粘接于柔性机构1的中间薄板11的上下两侧，并通过导线依序串接构成电桥。使用时，柔性机构1通过其上的连接孔12连接在其他装置上。当载荷作用于柔性机构1时，柔性机构1产生弹性变形，粘接在柔性机构1上的应变片2 9 产生相应应变，依据应变片的压阻特性，应变片2 9将产生电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压，应用A/D卡等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。通过采集的电信号，可以实现微载荷的检测。本实用新型的工作过程如下参见图3至图5，初始状态没有载荷作用于柔性机构1时，系统处于自由状态。当轴向载荷F作用于柔性机构1时，在载荷作用下柔性机构1产生弹性变形，粘接在柔性机构 1上的应变片2、3、8、9产生相应应变，依据应变片的压阻特性，应变片2、3、8、9将产生电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压，应用A/D卡等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。通过采集的电信号，可以实现轴向微载荷的检测。同理当横向向载荷F作用于柔性机构1时，在载荷作用下柔性机构1产生弹性变形，粘贴在柔性机构1上的应变片4 7产生相应应变并引起其电阻变化，依据应变片的压阻特性，应变片4 7将产生电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压，应用A/D卡等装置对信号的处理，得到可以采集的电信号。 通过采集的电信号，可以实现横向微载荷的检测。本实用新型主要是通过柔性机构1结构的特点测出两自由度的微载荷。当卸下载荷时，没有载荷作用于柔性机构1，柔性机构1变形恢复到初始状态，应变片也恢复到初始状态。柔性机构1和应变片2 9为可更换元件，根据特定载荷要求可分别更换为不同类型的应变片和不同尺寸的柔性机构，可实现对不同量级的测试分辨率的检测。当载荷方向不同时，柔性机构1变形部位也不同，不同部位的变形产生不同应变， 从而检测出不同方向的力。当轴向载荷F作用于柔性机构1时，在载荷作用下柔性机构1 机械变形，粘接在柔性机构1上的应变片2、3、8、9产生相应应变，如图4所示；同理当横向向载荷F作用于柔性机构1时，在载荷作用下柔性机构1机械变形，粘接在柔性机构1上的应变片4 7产生相应应变，如图5所示；其压阻效应的机理是是指应变片受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化。在外力作用下，弹性体机械变形，粘接在弹性体上的应变片产生相应应变引起其电阻变化，再经电桥将阻值变化转换成电压或电流输出。在进行轴向微载荷检测时，载荷F作用于柔性机构，粘附于机体表面的金属应变片产生变形，由应变引起电阻变化。不考虑电容和电感的影响，由纯电阻组成直流电桥，如图3所示，AC两端接电源电压E，桥臂电阻为R1, R2, R3及R4，BD两端为输电压出端Δ U。
权利要求1.一种集成应变片式两自由度微载荷检测装置，其特征在于结构包括柔性机构(1) 及应变片O、)，该柔性机构⑴为装置的基体，其上设有连接孔(12)，该柔性机构⑴设有左右薄板(10)及中间薄板(11)；应变片(2、3、8、9)分别粘接在柔性机构(1)的左右薄板(10)的两端相对内侧，并通过导线依序串接构成电桥；应变片(4、5、6、7)分别粘接于柔性机构(1)的中间薄板(11)的中部相对外侧，并通过导线依序串接构成电桥。
2.根据权利要求1所述的一种集成应变片式两自由度微载荷检测装置，其特征在于 所述的应变片(2、3、8、9)构成的应变片组与应变片(Γ7)构成的应变片组在载荷测试时分别具有独立性。
专利摘要本实用新型涉及一种集成应变片式两自由度微载荷检测装置，属于机电类。结构包括柔性机构(1)及应变片(2)~(9)，该柔性机构(1)为装置的基体，其上设有连接孔(12)，该柔性机构(1)设有左右薄板(10)及中间薄板(11)；应变片(2)、(3)、(8)、(9)分别粘接在柔性机构(1)的左右薄板(10)的两端相对内侧，并通过导线依序串接构成电桥；应变片(4)、(5)、(6)、(7)分别粘接于柔性机构(1)的中间薄板(11)的中部相对外侧，并通过导线依序串接构成电桥。优点在于可同时检测两自由度的载荷，同时可检测不同量级测试分辨率。具有毫牛级测试分辨率、高灵敏度、造价低廉等特点，可以广泛运用在划痕测试等有关摩擦学测试的领域中。
文档编号G01N3/56GK202057438SQ20112011582
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者万顺光, 杨洁, 王小月, 米杰, 袁英堃, 赵宏伟, 马志超, 黄虎 申请人:吉林大学