差動式水平微力測量裝置的測量方法

2023-04-24 14:28:01

專利名稱：差動式水平微力測量裝置的測量方法
技術領域：
本發明屬於測量技術領域，特別涉及一種微力測量裝置的測量方法。
背景技術：
隨著現代科學技術的發展以及各種新材料、新產品的出現，需要微小力測量的場合越來越多。但是微小力值的計量體系還沒有建立起來，到目前為止，10_5牛頓以下的微、納牛級超小力值可溯源的測量方法還沒有建立起來，因此研製一種使用方便、價格低廉的微 力值計量測試儀器以測量各種場合微小力就顯得尤為重要。目前微力測量主要有壓阻式、電容式、壓電式等，壓阻式測力是利用壓阻材料的壓阻效應製備的一種力測量裝置，但這種方法容易受到溫度的影響；電容式容易受到電磁場的幹擾，壓電微懸臂梁式測力成本低，但操作不便且量程較小。目前柔性鉸鏈機構在精密測量、標定等領域得到了廣泛應用，但是關於柔性鉸鏈變形、槓桿重心位置以及溫度的變化對測量及標定精度的影響尚缺少綜合的考慮和研究，尚未見到能有效消除重力和溫度兩方面因素影響的結構設計，而在對微力進行標定或者測量時，為了獲得更高的精度，必須要解決以上幾方面對微力的標定或測量所造成的影響，重力以及溫度產生的影響可能遠遠大於微力標定或測量的最大量程，對微力標定或測量產生致命的影響。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種可滿足一定測量精度的要求、並且低成本的差動式水平微力測量裝置的測量方法，用來為微小力值的測力系統提供支持。本發明解決技術問題採用如下技術方案本發明差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特點是設置差動式水平微力測量裝置為以豎直設置的一級槓桿為中心杆，在同一豎直平面內，一對二級槓桿對稱分處在一級槓桿的兩側，並分別通過各自一側的一級過渡杆與一級槓桿聯結，所述一對二級槓桿還分別通過二級過渡杆與各自一側的三級槓桿聯結。所述一級槓桿為一直杆，直杆的頂端設置為一級支點，直杆的底端是作為輸入端的自由端，被測微力Fl加載在直杆的自由端；所述一級槓桿的中部通過一級柔性鉸鏈與對稱分處在兩側的一級過渡杆的內端相連接。所述二級槓桿是由水平杆和豎直杆構成的倒置的「L」型杆，豎直杆的底端在杆側部通過二級柔性鉸鏈連接在一級過渡杆的外端，二級支點位於水平杆的杆端側部，在二級支點和豎直杆之間設置三級柔性鉸鏈將水平杆與二級過渡杆的底端相連接，所述二級過渡杆的頂端通過四級柔性鉸鏈連接在三級槓桿的外端側部。所述三級槓桿呈水平設置，以在兩側對稱設置的一對三級槓桿的內端為輸出端，所述輸出端與力傳感器相接觸，三級支點設置在三級槓桿的中部，所述三級支點位於縱向軌道中，並可以由驅動裝置驅動在縱向軌道中上下移動。在所述一級過渡杆的外端固聯一對朝向過渡杆內端所在一側延伸的連杆，在所述連杆的杆端固聯一級過渡杆配重塊，使一級過渡杆的重心調整到一級柔性鉸鏈所在位置處；在所述一級槓桿上，位於一級支點和一級柔性鉸鏈之間的位置通過固聯的一對一級懸臂設置一級槓桿配重塊，使一級槓桿、一級過渡杆、連杆及一級過渡杆配重塊共同的重心調整到一級支點的位置上；在所述二級過渡杆的中部固聯一對二級懸臂，在二級懸臂的臂端設置二級過渡杆配重塊，使二級過渡杆的重心調整到三級柔性鉸鏈所在位置處；在所述二級槓桿的水平杆的杆端設置二級槓桿配重塊，使所述二級槓桿、二級過渡杆、二級懸臂及二級過渡杆配重塊共同的重心調整到二級支點所在位置處；在所述三級槓桿的三級支點與輸出端之間的位置處設置三級槓桿配重塊，使所述三級槓桿的重心調整到三級支點所在位置處。本發明差動式水平微力測量裝置的測量方法是按以下方式實現差動測量定義一級槓桿的輸入端所加載的力為O時，一級槓桿、二級槓桿和三級槓桿所在的位置為初始位置；在所述一級槓桿的輸入端加載被測水平方向的微力Fl,各杆件產生偏移，其中一對三級槓桿繞著各自的三級支點產生相反的傾斜，在一對三級槓桿的輸出端產生相反的位移，根據所測量微力的大小和方向，驅動裝置驅動所述一對三級支點沿縱向軌道作相應的縱向移動，直至一對四級柔性鉸鏈恢復到初始位置，從而使除三級槓桿以外的其它各級槓桿及過渡槓桿也恢復到相應的初始位置,而一對三級槓桿的輸出端的相對位移進一步加大，通過一對三級槓桿的輸出端產生的相對位移將力傳遞到力傳感器上，實現力的測量。本發明差動式水平微力測量裝置的測量的特點也在於所述差動式水平微力測量裝置中，在所述一級支點、二級支點和三級支點所在位置處，一級槓桿、二極槓桿的水平杆以及三極槓桿分別通過各支點柔性鉸鏈與基座相連接， 所述各支點柔性鉸鏈均懸置在基架上，與重力方向成一致。與已有技術相比，本發明有益效果體現在I、本發明方法基於柔性鉸鏈和槓桿原理建立了一種三級槓桿柔性鉸鏈機構,將要測量的水平微力進行放大，本發明機構結構簡單、容易加工製造，且柔性鉸鏈的應用減少了系統中的摩擦環節，提高了測量精度。2、本發明中的三級槓桿柔性鉸鏈機構採用重力平衡的方法，為各級槓桿設置配重，使一級過渡杆的重心調整到一級柔性鉸鏈處，二級過渡杆的重心調整到三級柔性鉸鏈處，一級槓桿和具有配重結構的一級過渡杆共同的重心調整到一級支點處，二級槓桿和具有配重結構的二級過渡杆共同的重心調整到二級支點處，三級槓桿的重心調整到三級支點處，消除了重心變化對各杆件造成的影響且抗幹擾因素更強，使微力測量的結果更加精確。3、本發明採用對稱機構，消除了溫度造成的槓桿變形的影響，利於測量精度的提聞。4、本發明一級支點、二級支點和三級支點處的柔性鉸鏈均採用與重力方向成一致的設置，消除了重力對柔性鉸鏈造成的彎曲變形和彎曲應力，否則，重力產生的彎矩會導致柔性鉸鏈的破壞。5、本發明中三級支點為可沿縱向軌道上下移動的支點，能保證在最終實現力測量時,一級槓桿、二級槓桿、一級過渡杆及二級過渡杆在初始位置保持不動，使柔性鉸鏈處的變形最小，並減少了柔性鉸鏈上的應變能量損耗，提高了放大倍數和放大精度，使實際放大倍數接近理論放大倍數，在線性範圍內擴大了測量的量程。


圖I為本發明中水平微力測量裝置原理圖；圖2為本發明中一級過渡杆上配重結構示意圖；
圖中標號I 一級槓桿；2 —級支點；3自由端；4 一級過渡杆；5 —級柔性鉸鏈；6水平杆；7豎直杆；8 二級柔性鉸鏈；9 二級支點；10三級柔性鉸鏈；11 二級過渡杆；12四級柔性鉸鏈；13三級槓桿；14輸出端；15傳感器；16三級支點；17縱向軌道；18驅動裝置；13a三級過渡杆配重塊；la —級懸臂；lb —級槓桿配重塊；4a連杆；4b —級過渡杆配重塊；lla二級懸臂；llb 二級過渡杆配重塊。
具體實施例方式參見圖I、圖2，本實施例差動式水平微力測量裝置是以豎直設置的一級槓桿I為中心杆，在同一豎直平面內，一對二級槓桿對稱分處在一級槓桿I的兩側，並分別通過各自一側的一級過渡杆4與二級槓桿I聯結，一對二級槓桿還分別通過二級過渡杆11與各自一側的三級槓桿13聯結；—級槓桿I為一直杆，直杆的頂端為一級支點2,直杆的底端是作為輸入端的自由端3,被測微力Fl加載在直杆的自由端3 級槓桿I的中部通過一級柔性鉸鏈5與對稱分處在兩側的一級過渡杆4的內端相連接；二級槓桿是由水平杆6和豎直杆7構成的倒置的「L」型杆，豎直杆7的底端在杆側部通過二級柔性鉸鏈8連接在一級過渡杆4的外端，二級支點9位於水平杆6的杆端側部，在二級支點9和豎直杆7之間設置三級柔性鉸鏈10將水平杆6與二級過渡杆11的底端相連接，二級過渡杆11的頂端通過四級柔性鉸鏈12連接在三級槓桿13的外端側部；三級槓桿13呈水平放置，以在兩側對稱設置的一對三級槓桿13的內端為輸出端14，輸出端14與力傳感器15相接觸，三級支點16設置在三級槓桿13的中部。為了在進行微力測量時，使柔性鉸鏈處的變形最小，減少柔性鉸鏈上的應變能量損耗，將三級支點16設置在縱向軌道17中，並可以由驅動裝置18驅動在縱向軌道17中上下移動，以此保證在最終實現力測量的時候，一級槓桿、二級槓桿、一級過渡杆及二級過渡杆在初始位置保持不動，更進一步提高放大倍數和放大精度，使實際放大倍數接近理論放大倍數，在線性範圍內擴大測量量程。為了消除溫度的影響，兩個二級槓桿、兩個三級槓桿、兩個一級過渡杆及兩個二級過渡杆對稱地分布在一級槓桿I的兩側。為了消除重心變化對各杆件造成的影響，配重塊的設置可以按以下方式進行在一級過渡杆4的外端固聯一對朝向過渡杆內端所在一側延伸的連杆4a，在連杆4a的杆端固聯一級過渡杆配重塊4b，使一級過渡杆4的重心調整到一級柔性鉸鏈5所在位置處；在一級槓桿I上，位於一級支點2和一級柔性鉸鏈5之間的位置通過固聯的一對一級懸臂Ia設置一級槓桿配重塊lb，使一級槓桿I、一級過渡杆4、連杆4a及一級過渡杆配重塊4b共同的重心調整到一級支點2的位置上；在二級過渡杆11的中部固聯一對二級懸臂11a，在二級懸臂Ila的臂端設置二級過渡杆配重塊11b，使二級過渡杆11的重心調整到三級柔性鉸鏈10所在位置處；在二級槓桿的水平杆6的杆端設置二級槓桿配重塊6a，使二級槓桿、二級過渡杆、二級懸臂11a、及二級過渡杆配重塊Ilb共同的重心調整到二級支點9所在位置處；在三級槓桿的三級支點16與輸出端14之間的位置處設置三級槓桿配重塊13a，使三級槓桿13的重心調整到三級支點16所在位置處。為了消除重心變化對各杆件造成的影響，配重塊的設置也可以按以下方式進行在一級槓桿I上，位於一級支點2和一級柔性鉸鏈5之間的位置通過固聯的一對一級懸臂Ia設置一級槓桿配重塊lb，使一級槓桿I的重心調整到一級支點2的位置上；在一級過渡杆4的外端固聯一對連杆4a，在連杆4a的杆端固聯一級過渡杆配重塊4b，使一級過渡杆的重心調整到二級柔性鉸鏈8所在位置處；在二級過渡杆11的中部固聯一對二級懸臂11a， 在二級懸臂Ila的臂端設置二級過渡杆配重塊11b，使二級過渡杆11的重心調整到三級柔性鉸鏈10所在位置處；在二級槓桿的水平杆6的杆端處設置二級槓桿配重塊6a，使二級槓桿、連杆4a，一級過渡杆配重塊4b，一級過渡杆4、二級懸臂11a、二級過渡杆配重塊Ilb和二級過渡杆11共同的重心調整到二級支點9所在位置處；在三級槓桿的三級支點16與輸出端14之間的位置處設置三級槓桿配重塊13a，使三級槓桿的重心調整到三級支點所在位置處。為了消除重心變化對各杆件造成的影響，配重塊的設置還可以按以下方式進行在一級槓桿I上，位於一級支點2和一級柔性鉸鏈5之間的位置通過固聯的一對一級懸臂Ia設置一級槓桿配重塊lb，使一級槓桿I的重心調整到一級支點2的位置上；在 一級過渡杆4的外端固聯一對連杆4a，在連杆4a的杆端固聯一級過渡杆配重塊4b，使一級過渡杆的重心調整到二級柔性鉸鏈8所在位置處；在二級槓桿的水平杆的杆端處設置二級槓桿配重塊6a，使二級槓桿、連杆4a，一級過渡杆配重塊4b，一級過渡杆4共同的重心調整到二級支點9所在位置處；在二級過渡杆的中部固聯一對二級懸臂11a，在二級懸臂Ila的臂端設置二級過渡杆配重塊11b，使二級過渡杆的重心調整到四級柔性鉸鏈12所在位置處；在三級槓桿的三級支點16與輸出端14之間的位置處設置三級槓桿配重塊13a，使三級槓桿、二級懸臂I la、二級過渡杆配重塊Ilb和二級過渡杆11共同的重心調整到三級支點16所在位置處。具體實施中，也可以去掉各級過渡杆的配重塊，但會降低力的測量精度和減小力的測量範圍。在一級支點2、二級支點9和三級支點16所在位置處，一級槓桿I、二極槓桿的水平杆6以及三極槓桿13分別通過各支點柔性鉸鏈與基座相連接，為了消除重力對柔性鉸鏈造成的彎曲變形和彎曲應力，避免重力產生的彎矩導致柔性鉸鏈的破壞，一級支點、二級支點及三級支點處的柔性鉸鏈均採用與重力方向成一致的設置。本實施例按以下方式實現水平微力的差動測量定義一級槓桿的輸入端所加載的力為O時，一級槓桿、二級槓桿和三級槓桿所在的位置為初始位置；在一級槓桿的輸入端加載被測水平方向的微力Fl,各杆件產生偏移,其中一對三級槓桿繞著各自的三級支點產生相反的傾斜，在一對三級槓桿的輸出端產生相反的位移，根據所測量微力的大小和方向，驅動裝置驅動一對三級支點沿縱向軌道作相應的縱向移動，直至一對四級柔性鉸鏈恢復到初始位置，從而使除三級槓桿以外的其它各級槓桿及過渡槓桿也恢復到相應的初始位置，通過一對三級槓桿的輸出端產生的相對位移將力傳遞到力傳感器上，實現力的測量。具體實施中也可以不設置驅動裝置18，而是直接將三級支點16固定在機座上，這同樣會降低力的測量精度，並減小力的測量範圍。
本發明測量裝置可以實現10_2以下的微力的測量。
權利要求
1.一種差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特徵是 設置差動式水平微力測量裝置為是以豎直設置的一級槓桿(I)為中心杆，在同一豎直平面內，一對二級槓桿對稱分處在一級槓桿(I)的兩側，並分別通過各自一側的一級過渡杆(4)與一級槓桿(I)聯結，所述一對二級槓桿還分別通過二級過渡杆(11)與各自一側的三級槓桿(13)聯結； 所述一級槓桿(I)為一直杆，直杆的頂端設置為一級支點(2),直杆的底端是作為輸入端的自由端(3)，被測微力Fl加載在直杆的自由端(3);所述一級槓桿(I)的中部通過一級柔性鉸鏈(5)與對稱分處在兩側的一級過渡杆(4)的內端相連接； 所述二級槓桿是由水平杆(6)和豎直杆(7)構成的倒置的「L」型杆，豎直杆(7)的底端在杆側部通過二級柔性鉸鏈(8)連接在一級過渡杆(4)的外端，二級支點(9)位於水平杆(6)的杆端側部，在二級支點(9)和豎直杆(7)之間設置三級柔性鉸鏈(10)將水平杆(6)與二級過渡杆(11)的底端相連接，所述二級過渡杆(11)的頂端通過四級柔性鉸鏈(12)連接在三級槓桿(13)的外端側部； 所述三級槓桿(13)呈水平設置，以在兩側對稱設置的一對三級槓桿(13)的內端為輸出端(14)，所述輸出端(14)與力傳感器(15)相接觸，三級支點(16)設置在三級槓桿(13)的中部，所述三級支點(16)位於縱向軌道(17)中，並可以由驅動裝置(18)驅動在縱向軌道(17)中上下移動； 在所述一級過渡杆⑷的外端固聯一對朝向過渡杆內端所在一側延伸的連杆(4a),在所述連杆(4a)的杆端固聯一級過渡杆配重塊(4b)，使一級過渡杆(4)的重心調整到一級柔性鉸鏈(5)所在位置處；在所述一級槓桿(I)上，位於一級支點(2)和一級柔性鉸鏈(5)之間的位置通過固聯的一對一級懸臂(Ia)設置一級槓桿配重塊(Ib)，使一級槓桿(I)、一級過渡杆(4)、連杆(4a)及一級過渡杆配重塊(4b)共同的重心調整到一級支點(2)的位置上；在所述二級過渡杆(11)的中部固聯一對二級懸臂(11a)，在二級懸臂(Ila)的臂端設置二級過渡杆配重塊(11b)，使二級過渡杆(11)的重心調整到三級柔性鉸鏈(10)所在位置處；在所述二級槓桿的水平杆(6)的杆端設置二級槓桿配重塊(6a)，使所述二級槓桿、二級過渡杆(11)、二級懸臂(Ila)及二級過渡杆配重塊(Ilb)共同的重心調整到二級支點(9)所在位置處；在所述三級槓桿(13)的三級支點(16)與輸出端(14)之間的位置處設置三級槓桿配重塊(13a)，使所述三級槓桿(13)的重心調整到三級支點(16)所在位置處；所述的差動式水平微力測量裝置的測量方法是按以下方式實現差動測量 定義一級槓桿的輸入端所加載的力為0時，一級槓桿、二級槓桿和三級槓桿所在的位置為初始位置； 在所述一級槓桿的輸入端加載被測水平方向的微力Fl,各杆件產生偏移,其中一對三級槓桿繞著各自的三級支點產生相反的傾斜，在一對三級槓桿的輸出端產生相反的位移，根據所測量微力的大小和方向，驅動裝置驅動所述一對三級支點沿縱向軌道作相應的縱向移動，直至一對四級柔性鉸鏈恢復到初始位置，從而使除三級槓桿以外的其它各級槓桿及過渡槓桿也恢復到相應的初始位置，而一對三級槓桿的輸出端的相對位移進一步加大，通過一對三級槓桿的輸出端產生的相對位移將力傳遞到力傳感器上,實現力的測量。
2.根據權利要求I所述差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特徵是 所述差動式水平微力測量裝置中，在所述一級支點(2)、二級支點(9)和三級支點(16)所在位置處，一級槓桿(I)、二極槓桿的水平杆(6)以及三極槓桿(13)分別通過各支點柔性鉸鏈與基 座相連接，所述各支點柔性鉸鏈均懸置在基架上，與重力方向成一致。
全文摘要
本發明公開了一種差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特徵是所述差動式水平微力測量裝置是以豎直設置的一級槓桿為中心杆，在同一豎直平面內，一對二級槓桿對稱分處在一級槓桿的兩側，並分別通過各自一側的一級過渡杆與一級槓桿聯結，一對二級槓桿還分別通過二級過渡杆與各自一側的三級槓桿聯結。本發明用來為微小力值的測力系統提供支持。
文檔編號G01L1/00GK102829900SQ20121031952
公開日2012年12月19日 申請日期2011年7月27日 優先權日2011年7月27日
發明者王勇, 劉煥進, 姜禮傑, 尹鵬飛, 滑志龍, 楊科 申請人:合肥工業大學