微小力测量系统的实验研究

2020-07-19 来源：步旅网

　　　　　　　　传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)　　　　　　　　　2009年第28卷第11期8

研究与探讨

微小力测量系统的实验研究

王海涛,林玉池,付鲁华,齐永岳,赵美蓉,宋　乐,吴　颖

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)

摘　要:介绍了一种微小力值测量系统的设计方法。系统采用了自主设计的传感器结构,充分利用了圆

柱形电容传感器量程大、线性好、边缘效应小等特点,通过高精度直线轴承保证了运动的同轴度,又利用增加屏蔽结构等方法用来消除寄生电容的干扰。检测电路基于新型高精度、集成式电容数字转换器AD7747与单片机,实现了对电容变化量dC的精确测量。实验结果表明:该方法为10-5N以下的微小力值测量提供了一种有效的解决方案。

关键词:微小力值;电容变化量;位移变化量

中图分类号:TB931　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000—9787(2009)11—0008—04

Experimentresearchonmeasuringsystemfor

micro2forcevalue

WANGHai2tao,LINYu2chi,FULu2hua,QIYong2yue,ZHAOMei2rong,SONGLe,WUYing

(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Adesignmethodofmeasuringsystemformicro2forcevalueisintroduced.Self2designedsensorstructureisusedtomakefulluseofacylindricalcapacitancesensorrange,linear,theedgeofthecharacteristicsofsmalleffectandsoon,astraightlineisusedthroughthehigh2precisionbearingstoensurethemovementofcoaxial,andothermethodsofshieldcapacitanceareusedtoeliminatetheinterference.Detectioncircuitthroughthenewhigh2precision,integratedcapacitance2to2digitalconverterandtheAD7747single2chipprocessorareusedtoachieveaccuratemeasurementofdCchangesinthevolumewhilereducingthecostofthesystem.Theexperimentsconcludethatthemethodforthefollowing10Npowersourceandmeasuringthevalueprovidesaneffectivesolution.

Keywords:micro2forcevalue;capacitancechange;displacementchange

0　引　言

-5

量范围内其力值分辨率可以达到3.7μN[4]。

然而,微力传感器本身的性能计量却显得相对滞后,原因是微小力值的计量体系还没有建立起来。因此,研制一种微小力值测试仪器以提供10-5N以下的基本力值标准,已成为迫切需要。目前,以美国、英国、德国为代表的一些著名研究机构已经开始了这方面的工作,并且取得了一定程度的进展[5,6]。而国内在该领域的研究工作还尚未完全展开。本文主要探索一种微小力值测量系统的实现途径。

1　系统的总体结构与工作原理

随着现代科学技术的发展,微机电系统(MEMS)中微尺度下构件的力学特性研究、微观摩擦现象观测、微传感微机器人微装配中微力监测、液体表面张力分析、薄膜与纤维力学性能研究、生物芯片以及生物体微组织力测量等,大量需要微小力值的测量。据报道,加拿大多伦多大学的先进微纳实验室研制了一种用于生物材料微结构压缩实验的

MEMS电容力传感器,其测量范围为0～165μN,分辨率为33.2nN

[1]

;中国台湾工业技术研究院测量标准中心利用力

平衡反馈控制系统和光纤干涉仪研制的微力传感器,测量范围为0～126μN,分辨率为23nN[2];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的用于微摩擦测试的微力传感器,测量范围为0～31mN,分辨率为46μN[3];大连理工大学研制的PT/PZT/PT薄膜微力传感器,在0～350μN的测

收稿日期:2009—05—02

系统的整体结构如图1所示。当力F作用到内电极上时,内电极将产生一个位移dz,该位移使内外电极之间的相对面积发生了改变,从而产生了电容变化信号dC。理想状态下,对于一维电容传感器而言,只要保持2个电极板间的电压为固定值,产生位移dz需要做功

3基金项目:天津市科委2009年应用基础及前沿技术研究计划项目(09JCYBJC05200)

第11期　　　　　　　　　　　　　　　王海涛,等:微小力测量系统的实验研究　　　　　　　　　　　　

UdC,2

　　dW=Fdz=(1)

式中　dW为能量的变化(机械功);F为力值;dz为电容器

2个电极相对位置的变化;U为电容器两极板之间的电压。

图3　直线轴承

Fig3　Linearbearings

由此,通过测量电容器两端的电压U与电容变化梯度

dC/dz,就可以导出力值F的大小

F=互接触,不存在间隙,运动时有一定的支撑作用;另一方面,

(2)

12dCU.2dz

凹槽的存在防止了轴和轴承之间的转动。这是由于在运动的过程中,间隙的存在和转动的出现都会对同轴度造成很严重的影响。使用直线轴承很好地解决了上述两方面的问题,在很大的程度上保证了测量精度。

为了消除寄生电容的干扰,采取了以下措施:

1)图2所示的圆柱形电容传感器结构中,箱体1和箱

式(2)表示的是一种理想的一维近似系统,而实际上,该系统应该是多维的,伴随着许多外部场和杂散电荷的存在,而且,震动、温度、气流等环境因素都会对最后的测量结构造成影响。然而,如果对电容传感器的机构和尺寸等进行合理的设计,对实验环境进行严格的控制,仍可以将其视为一个理想化的一维系统。

体2组成了电容传感器外部密封的屏蔽结构。屏蔽结构和内电极都接地,当内电极运动时,内电极和屏蔽结构之间的电容保持不变,从而消除了虚假信号的影响。另外,密封的屏蔽结构也减弱了温度、气流和湿度等干扰因素的影响,有利于近似为理想化的一维系统。2)考虑到加工和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、

结构等限制,内外电极的极间距离设计得很小,为0.4mm。该设计增大了电容传感器的初始电容值,降低了寄生电容

图1　系统的总体结构Fig1　Overallstructureofsystem的相对影响。

3)在测量电路中,测量芯片选用了新型电容数字转换

2　电容传感器的结构设计本系统采用了自行设计的圆柱形电容传感器,如图2所示。该结构充分利用了圆柱形电容传感器量程大、线性好、边缘效应小、受极板径向变化影响很小等特点。在图2中,内、外电极两部分组成了一个圆柱形电容传感器。

器AD7747,该芯片具有驱动电缆屏蔽功能。

3　检测电路的设计

3.1　电容量变化量的检测

由上述内容可知,在力F的作用下,内电极产生mm级的位移时,dC大约为pF级至fF级。为了实现对该级别信号的高精度检测,本电路采用了ADI公司的最新型Δ技电容数字转换器AD7747。该芯片基于成熟的∑2术,是高精度、完全集成的电容数字转换器,具有24bit分辨率,10fF的精度和0.01%的非线性度,并提供完整的片内模拟功能。另外,该芯片寄生电容、电阻等影响小[7]。

图2　传感器结构图

Fig2　Structurediagramofsensor

　　基于AD7747的电容量变化检测电路如图4所示。其中,AD7747将所测的电容值转换为数字量,并通过

IC端口与8051单片机进行通信。IC总线仅需两条总

　　其中,内电极固定在轴上,随轴一起运动。外电极位置固定。从而圆柱形电容传感器工作在变截面模式下,但这种工作模式要求内、外电极保持极高的同轴度,任何非同轴运动都会造成严重的测量误差;同时,内、外电极之间的运动必须足够灵活。为了满足上述两点要求,本设计采用了新型的直线轴承,如图3所示。

　　这种轴承具有高精度、高直线性等特点。它的内部具有导轨滚珠和凹槽,滚珠在凹槽内与轴接触滚动,一方面相

线线路,即一条串行数据线(SDA)和一条串行时钟线

(SCL)。SDA和SCL均为双向线路,都要求通过一个电

流源或上拉电阻连接到正的电源电压。当AD7747的

RDY脚被置高时,代表电容转换完成,数据处于可用状

态。此处,将RDY脚与P1.6脚相连,当数据转换完成时,单片机读取数据,经运算处理后,由显示电路进行显

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示。由于8051单片机未提供I2C端口,为了能够实现数

2据通信,此处使用了单片机的IO口来模拟IC端口。系

所以,在实验中直接采用高精度工作台使内电极产生位移从而检测电容变化梯度dC/dz。这种工作台的位移量程为25mm,精度为0.01mm,具有操作简单、方便,精度高的特点。

统的软件流程如图5所示。

4.1　实验一

每次使内电极产生1.00mm的位移,在不同的位置分别记录相同时间段内的电容测量值,并抽取100个样品进行处理。10mm处测量图形和分析处理波形如图6所示。

图4　采集显示电路

Fig4　Acquisitionanddisplaycircuit

图5　软件流程图Fig5　Flowchartofsoftware

3.2　位移量变化量的检测

在力F的测量中,dz是另外一个重要的参数,它的测量精度直接影响着力的测量精度。本设计系统预采用激光干涉技术测量内电极的位移量,光路如图1所示,参考光束安装在固定的传感器箱体上,测量反射镜固定在运动轴上。检测方法可采用单频干涉仪或外差干涉仪。单频干涉仪结构简单,但干涉信号容易受到工作环境的影响,需要消除直流电平漂移、不等幅及非正交等误差,方可实现高精度的测量。为了克服以上缺点,此处采用外差干涉技术,即在干涉仪参考电路中引入一定频率的载波,被测信号通过该载波进行传递,便可滤掉干涉背景和直流放大器的噪声。外差干涉法的测量精度可达到0.1nm。

4　实验结果与分析

图6　10mm处测量图形和分析处理波形

Fig6　Metricalgraphicsandanalysisgraphicsat10mm

　　实验一的数据如表1所示。

表1　第一次实验

Tab1　Firstexperiment

序号位移(mm)12345678910

78910111213141516

电容(pF)7.6698316.8919526.0669665.2580624.4072753.5585972.7056801.8300540.9541040.209624

在验证系统方案可行性实验中由于受到现有条件的限制,还不能产生10-5N以下的微小作用力。但通过式(2)可知,在微小力值测量过程中电容变化梯度dC/dz起着至关重要的作用,因此,对它的研究具有重要意义,同时,也可以通过检测电容变化梯度dC/dz来证明系统的可行性。

4.2　实验二

每次使内电极产生0.50mm的位移,其他条件与第一次实验相同。10mm处测量图形和分析处理波形如图7所示。

　　实验二的数据如表2。

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图8　实验一拟合直线

Fig8　Fittinglinearoffirstexperiment

图7　10mm处测量图形和分析处理波形

Fig7　Metricalgraphicsandanalysisgraphicsat10mm

图9　实验二拟合直线

Fig9　Fittinglinearofsecondexperiment

表2　第二次实验

Tab2　Secondexperiment

序号位移(mm)12345678910

7.07.58.08.59.09.510.010.511.011.5

路结构简单,测量精度较高,基本满足了设计要求,虽然还具有一定的局限性,但对10-5N级别微小力的测量和高级别力学标准量的建立与力值基准的统一,具有一定的参考价值。参考文献:

[1]　KimK,ChengJ,LiuQ,etal.MEMScapacitiveforcesensorsfor

micro2scalecompressiontestingofbiomaterials[J].MEMS,2008:888-891.

[2]　ChangKuaikai,ShieNangchian,TaiHungming,etal.Amicro2

forcesensorusinforce2balancingfeedbackcontrolsystemandop2tic2fiberinterferometers[J].TamkangJournalofScienceandEn2gineering,2004,7(2):91-94.

[3]　崔　岩,孟汉柏,王　兢,等.PT/PZT/PT薄膜微力传感

电容(pF)7.4657677.0845146.6782646.2891475.8409335.4450105.0449134.5972584.1929813.774253

　　1)比较图6和图7可知,两次实验中内电极处于同一位置的电容值是不同的,这主要是由于受到了外界因素的干扰,特别是温度。因此,本检测系统不完善,还应采取其他措施减小干扰。

2)以表1和表2为基础,采用最小二乘法拟合出的直

器[J].光学精密工程,2007,15(9):1404-1409.

[4]　黎海文,吴一辉,李也凡,等.用于微摩擦测试的微力传感器

及其制作[J].微细加工技术,2004(3):65-69.

[5]　PrattJR,NewellDB,WilliamsER,etal.Towardsatraceable

nanoscaleforcestandard[C]∥Proc2ndIntConfEuropeanSocPrecisionEngineeringandNanotechnology(EUSPEN)(Turin,Ita2ly),2001:470-473.

[6]　PrattJR,NewellDB,KramarJA.Aflexurebalancewithadjus2

tablerestoringtorquefornanonewtonforcemeasurement[C]∥ProcJointIntConfIMEKOTC3/TC5/TC20,VDIBerichte1685,

-8

线分别如图8和图9所示。可见两次实验|dC/dz|分别为

0.83877pF/mm和0.82422pF/mm,而并非为常数,这说明

针对不同的被测微小力值,式(2)中的|dC/dz|必须实时进行检测,从而证明了本系统中dC和dz信号检测模块在微小力值测量中存在的必要性。

3)两次实验结果大约为10数量级,这证明本系统能

2002:77-82.

[7]　242Bitcapacitance2to2digitalconverterwithtemperaturesensor

AD7747[Z].AnalogDevices,Inc,2007.

够检测10-5N及以下级别的微小力值。

5　结　论

作者简介:

王海涛(1984-),男,河北唐山人,硕士研究生,主要从事超微力传感测量系统研究。

本文采用一种精密设计的电容器,通过测量电容变化梯度,验证了微小力值测量方案的可行性。该系统电

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