專利名稱：差動式垂直微力測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微力測量裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各種新材料、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，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，因此研制一種使用方便、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(yīng)制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干擾，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(gòu)在精密測量、標(biāo)定等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是關(guān)于柔性鉸鏈變形、杠桿重心位置以及溫度的變化對測量及標(biāo)定精度的影響，還沒有很好的解決方法，而在對微力進行標(biāo)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(biāo)定或測量所造成的影響，重力以及溫度產(chǎn)生的影響可能遠遠大于微力標(biāo)定或測量的最大量程，對微力標(biāo)定或測量產(chǎn)生致命的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在不足之處，提供一種可滿足一定測量精度的要求、并且低成本的差動式垂直微力測量裝置及測量方法，用來為微小力值的測力系統(tǒng)提供支持。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明差動式垂直微力測量裝置的結(jié)構(gòu)特點是在水平放置的一級杠桿的中部設(shè)置一級支點，以所述一級支點為中心，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿對稱分處在一級支點的兩側(cè)，并在各自一側(cè)通過一級過渡桿與一級杠桿聯(lián)結(jié)，所述一對二級杠桿還分別通過二級過渡桿與各自一側(cè)的三級杠桿相聯(lián)結(jié)，其中所述一級杠桿的一端沿水平方向經(jīng)延伸段形成為自由端，以所述自由端為被測量微力Fl的輸入端，所述一級杠桿的非自由端在桿側(cè)部通過一級柔性鉸鏈連接在一級過渡桿的底端；所述一級過渡桿的頂端通過二級柔性鉸鏈連接在二級杠桿的桿內(nèi)端側(cè)部；所述二級杠桿呈水平放置，二級支點位于二級杠桿的桿外端側(cè)部，在所述二級支點和二級杠桿的桿內(nèi)端之間設(shè)置三級柔性鉸鏈將二級杠桿連接在二級過渡桿的底端；所述二級過渡桿的頂端通過四級柔性鉸鏈連接在三級杠桿的桿外端側(cè)部；所述三級杠桿呈水平放置，三級杠桿桿內(nèi)端為輸出端，所述輸出端與力傳感器接觸，三級支點設(shè)置在三級杠桿的中部，所述三級支點位于縱向軌道中，并可以由驅(qū)動裝置驅(qū)動在縱向軌道中上下移動；在所述一級過渡桿的中部通過固聯(lián)的一級懸臂設(shè)置一級過渡桿配重塊，使一級過渡桿的重心調(diào)整到一級柔性鉸鏈所在位置處；在所述一級杠桿的非自由端設(shè)置一級杠桿配重塊，使一級杠桿及其延伸段、一級過渡桿、一級懸臂及一級過渡桿配重塊共同的重心調(diào)整到一級支點的位置上；在所述二級過渡桿的中部通過固聯(lián)的二級懸臂設(shè)置二級過渡桿配重塊，使二級過渡桿的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈所在位置處；在所述二級杠桿的桿外端處設(shè)置二級杠桿配重塊，使所述二級杠桿、二級過渡桿、二級懸臂及二級過渡桿配重塊共同的重心調(diào)整到二級支點的位置處；在所述三級杠桿的三級支點與輸出端之間的位置設(shè)置三級杠桿配重塊，使所述三級杠桿的重心調(diào)整到三級支點所在位置處。本發(fā)明差動式垂直微力測量裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于在所述一級支點、二級支點和三級支點所在位置處，一級杠桿、二極杠桿和三級杠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。本發(fā)明差動式垂直微力測量裝置的測量方法的特點是按以下方式實現(xiàn)差動測量定義一級杠桿的輸入端所加載的力為0時，各杠桿所在的位置為初始位置；在所述一級杠桿的輸入端加載需要測量的垂直方向的微力F1，各桿件產(chǎn)生偏移， 其中一對三級杠桿繞著各自的三級支點產(chǎn)生相反的傾斜，在一對三級杠桿的輸出端產(chǎn)生相反的位移，根據(jù)被測量的微力Fl的大小和方向，以驅(qū)動裝置驅(qū)動所述一對三級支點沿縱向軌道作出相應(yīng)的上下移動，直至一對四級柔性鉸鏈恢復(fù)到初始位置，從而使除三級杠桿以外的其它各級杠桿及過渡杠桿也恢復(fù)到相應(yīng)的初始位置，而一對三級杠桿的輸出端的相對位移進一步加大，通過一對輸出端產(chǎn)生的相對位移，將力傳遞到力傳感器上，實現(xiàn)力的測量。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明方法基于柔性鉸鏈和杠桿原理建立了一種三級杠桿柔性鉸鏈機構(gòu)，可將要測量的垂直微力進行放大，其結(jié)構(gòu)簡單、容易加工制造，且柔性鉸鏈的應(yīng)用減少了系統(tǒng)中的摩擦環(huán)節(jié)，提高了測量精度。2、本發(fā)明中的三級杠桿柔性鉸鏈機構(gòu)采用重力平衡的方法，為各級杠桿設(shè)置配重，使一級過渡桿的重心調(diào)整到一級柔性鉸鏈處，二級過渡桿的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈處，一級杠桿和帶有配重結(jié)構(gòu)的一級過渡桿共同的重心調(diào)整到一級支點處，二級杠桿和帶有配重結(jié)構(gòu)的二級過渡桿共同的重心調(diào)整到二級支點處，三級杠桿的重心調(diào)整到三級支點處，消除了重心變化對各桿件造成的影響且抗干擾因素更強，使微力測量的結(jié)果更加精確。3、本發(fā)明采用對稱機構(gòu)，消除了溫度造成的杠桿變形的影響，利于測量精度的提尚ο4、本發(fā)明一級支點、二級支點和三級支點處的支點柔性鉸鏈均采用與重力方向成一致的設(shè)置，消除了重力對柔性鉸鏈造成的彎曲變形和彎曲應(yīng)力，否則，重力產(chǎn)生的彎矩會導(dǎo)致柔性鉸鏈的破壞。5、本發(fā)明中三級支點為可沿設(shè)置的縱向軌道上下移動的支點，能保證在最終實現(xiàn)力測量時，一級杠桿、二級杠桿、一級過渡桿及二級過渡桿在初始位置保持不動，使柔性鉸鏈處的變形最小，并減少了柔性鉸鏈上的應(yīng)變能量損耗，提高了放大倍數(shù)和放大精度，使實際放大倍數(shù)接近理論放大倍數(shù)，在線性范圍內(nèi)擴大了測量的量程。


圖1為本發(fā)明中差動式垂直微力測量裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實施例中天平式垂直微力測量裝置原理圖；圖中標(biāo)號1 一級杠桿；2 —級支點；3 二級杠桿；4三級杠桿；5 —級過渡桿；6 二級過渡桿；7輸入端；8 —級柔性鉸鏈；9 二級柔性鉸鏈；10 二級支點；11三級柔性鉸鏈；12四級柔性鉸鏈；13輸出端；14傳感器；15三級支點；16軌道；17驅(qū)動裝置；18 二級杠桿延伸部分；Ia —級杠桿配重塊；3a 二級杠桿配重塊；如三級杠桿配重塊^a —級懸臂；釙一級過渡桿配重塊；6a 二級懸臂；6b 二級過渡桿配重塊；
具體實施例方式參見圖1，本實施例是在水平放置的一級杠桿1的中部設(shè)置一級支點2，以一級支點2為中心，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿3對稱分處在一級支點2的兩側(cè)，并在各自一側(cè)通過一級過渡桿5與一級杠桿1聯(lián)結(jié)，一對二級杠桿3還分別通過二級過渡桿6與各自一側(cè)的三級杠桿4相聯(lián)結(jié)，其中圖1所示，一級杠桿1的一端沿水平方向經(jīng)延伸段18形成自由端7，以自由端7為被測量微力Fl的輸入端，一級杠桿1的非自由端在桿側(cè)部通過一級柔性鉸鏈8連接在一級過渡桿5的底端；一級過渡桿5的頂端通過二級柔性鉸鏈9連接在二級杠桿3的桿內(nèi)端側(cè)部；二級杠桿3呈水平放置，二級支點10位于二級杠桿的桿外端側(cè)部，在二級支點10 和二級杠桿3的桿內(nèi)端之間設(shè)置三級柔性鉸鏈11將二級杠桿3連接在二級過渡桿6的底端；二級過渡桿6的頂端通過四級柔性鉸鏈12連接在三級杠桿4的桿外端側(cè)部；三級杠桿4呈水平放置，三級杠桿的內(nèi)端為輸出端13，輸出端13與力傳感器14接觸，三級支點15設(shè)置在三級杠桿4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(yīng)變能量損耗，三級支點15可設(shè)置在縱向軌道16中，并可以由驅(qū)動裝置17驅(qū)動在縱向軌道16中上下移動，這樣能保證在最終實現(xiàn)力測量的時候，一級杠桿、 二級杠桿、一級過渡桿及二級過渡桿在初始位置保持不動，提高了放大倍數(shù)和放大精度，使實際放大倍數(shù)接近理論放大倍數(shù)，在線性范圍內(nèi)擴大了測量的量程。為了消除溫度的影響，兩個二級杠桿、兩個三級杠桿、兩個一級過渡桿及兩個二級過渡桿對稱地分布在一級支點2的兩側(cè)。為了消除重心變化對各桿件造成的影響，可以在相應(yīng)位置上分別設(shè)置配重塊，包括在一級過渡桿的中部通過固聯(lián)的一級懸臂fe設(shè)置一級過渡桿配重塊5b，使一級過渡桿的重心調(diào)整到一級柔性鉸鏈所在位置處；在一級杠桿1的非自由端設(shè)置一級杠桿配重塊 la，使一級杠桿1及其延伸段18、一級過渡桿、一級懸臂及一級過渡配重塊共同的重心調(diào)整到一級支點位置上；在二級過渡桿6的中部通過固聯(lián)的二級懸臂6a設(shè)置二級過渡桿配重塊 6b，使二級過渡桿6的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈11所在位置處；在二級杠桿的桿外端設(shè)置二級杠桿配重塊3a，使二級杠桿3、二級過渡桿6、二級懸臂6a及二級過渡桿配重塊6b共同的重心調(diào)整到二級支點11所在位置處；在三級杠桿4的三級支點15與輸出端13之間的位置設(shè)置三級杠桿配重塊4a，使三級杠桿4的重心調(diào)整到三級支點15所在位置處；
為了消除重心變化對各桿件造成的影響，配重塊也可以設(shè)置為在一級過渡桿5的中部通過固聯(lián)的一級懸臂fe設(shè)置一級過渡桿配重塊恥，使一級過渡桿5的重心調(diào)整到二級柔性鉸鏈9所在位置處；在二級過渡桿6的中部通過固聯(lián)的二級懸臂6a設(shè)置二級過渡桿配重塊6b，使二級過渡桿6的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈11所在位置處；在二級杠桿3的桿外端處設(shè)置二級杠桿配重塊3a，使二級杠桿3、一級過渡桿5、一級懸臂5a、一級過渡桿配重塊恥、二級過渡桿6、二級懸臂6a及二級過渡桿配重塊6b共同的重心調(diào)整到二級支點11的位置處；在一級杠桿1的非自由端處設(shè)置一級杠桿配重塊la， 使一級杠桿1及其延伸段18的重心調(diào)整到一級支點2的位置上；在三級杠桿4的三級支點 15與輸出端13之間的位置設(shè)置三級杠桿配重塊4a，使三級杠桿4的重心調(diào)整到三級支點 15所在位置處；為了消除重心變化對各桿件造成的影響，配重塊還可以設(shè)置為在一級過渡桿5的中部通過固聯(lián)的一級懸臂fe設(shè)置一級過渡桿配重塊恥，使一級過渡桿5的重心調(diào)整到二級柔性鉸鏈9所在位置處；在二級杠桿3的桿外端處設(shè)置二級杠桿配重塊3a，使二級杠桿3、一級過渡桿5、一級懸臂fe及一級過渡桿配重塊恥共同的重心調(diào)整到二級支點11的位置處；在二級過渡桿6的中部通過固聯(lián)的二級懸臂6a設(shè)置二級過渡桿配重塊6b，使二級過渡桿6的重心調(diào)整到四級柔性鉸鏈12所在位置處；在三級杠桿4 的三級支點15與輸出端13之間的位置設(shè)置三級杠桿配重塊4a，使三級杠桿4、二級過渡桿 6、二級懸臂6a及二級過渡桿配重塊6b共同的重心調(diào)整到三級支點11所在位置處；在一級杠桿1的非自由端處設(shè)置一級杠桿配重塊la，使一級杠桿1及其延伸段18的重心調(diào)整到一級支點2的位置上；具體實施中，可以去掉各級過渡桿的配重塊，但會降低力的測量精度并縮小力的測量范圍。為了消除重力對柔性鉸鏈造成的彎曲變形和彎曲應(yīng)力，避免重力產(chǎn)生的彎矩導(dǎo)致柔性鉸鏈的破壞，具體實施中在一級支點2、二級支點11和三級支點15所在位置處，一級杠桿1、二極杠桿3和三級杠桿4分別通過各支點柔性鉸鏈與基座相連接，各支點柔性鉸鏈均懸置在基架上，與重力方向成一致。本實施例中差動式垂直微力測量裝置的測量方法是按以下方式實現(xiàn)差動測量定義一級杠桿的輸入端所加載的力為0時，各杠桿所在的位置為初始位置；在所述一級杠桿的輸入端加載需要測量的垂直方向的微力F1，各桿件產(chǎn)生偏移， 其中一對三級杠桿繞著各自的三級支點產(chǎn)生相反的傾斜，在一對三級杠桿的輸出端產(chǎn)生相反的位移，根據(jù)被測量的微力Fl的大小和方向，以驅(qū)動裝置驅(qū)動所述一對三級支點沿軌道作出相應(yīng)的上下移動，直至一對四級柔性鉸鏈恢復(fù)到初始位置，從而使除三級杠桿以外的其它各級杠桿及過渡杠桿也恢復(fù)到相應(yīng)的初始位置，而一對三級杠桿的輸出端的相對位移進一步加大，通過一對輸出端產(chǎn)生的相對位移，將力傳遞到力傳感器上，實現(xiàn)力的測量。具體實施中也可以不用驅(qū)動裝置17，而直接將三級支點15固定在機座上，這樣會降低力的測量精度，并減小力的測量范圍。本發(fā)明測量裝置可以實現(xiàn)10_2以下的微力測量。本發(fā)明裝置也可以按如圖2所示作為天平進行使用，將圖1中所示的一級杠桿的非自由端設(shè)置為如同自由端相同的形式，在輸入端加載要測量的物體的重力F，在另一端加載標(biāo)準(zhǔn)砝碼G，輸出端測量的微力為F1，根據(jù)微力Fl的方向和大小，可以求出所要測量的力 SF = F1+G或F = F1-G，從而進一步求出物體的質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種差動式垂直微力測量裝置，其特征是在水平放置的一級杠桿(1)的中部設(shè)置一級支點( ，以所述一級支點( 為中心，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿C3)對稱分處在一級支點O)的兩側(cè)，并在各自一側(cè)通過一級過渡桿( 與一級杠桿(1)聯(lián)結(jié)，所述一對二級杠桿C3)還分別通過二級過渡桿(6)與各自一側(cè)的三級杠桿(4)相聯(lián)結(jié)；所述一級杠桿(1)的一端沿水平方向經(jīng)延伸段(18)形成為自由端(7)，以所述自由端(7)為被測量微力Fl的輸入端，所述一級杠桿(1)的非自由端在桿側(cè)部通過一級柔性鉸鏈(8)連接在一級過渡桿(5)的底端；所述一級過渡桿(5)的頂端通過二級柔性鉸鏈(9)連接在二級杠桿(3)的桿內(nèi)端側(cè)部；所述二級杠桿C3)呈水平放置，二級支點(10)位于二級杠桿(3)的桿外端側(cè)部，在所述二級支點(10)和二級杠桿( 的桿內(nèi)端之間設(shè)置三級柔性鉸鏈(11)將二級杠桿(3)連接在二級過渡桿(6)的底端；所述二級過渡桿(6)的頂端通過四級柔性鉸鏈(1 連接在三級杠桿的桿外端側(cè)部；所述三級杠桿(4)呈水平放置，三級杠桿的桿內(nèi)端為輸出端(13)，所述輸出端 (13)與力傳感器(14)接觸，三級支點(1 設(shè)置在三級杠桿(4)的中部，所述三級支點(15) 位于縱向軌道(16)中，并可以由驅(qū)動裝置(17)驅(qū)動在縱向軌道(16)中上下移動；在所述一級過渡桿( 的中部通過固聯(lián)的一級懸臂(5a)設(shè)置一級過渡桿配重塊(5b)， 使一級過渡桿(5)的重心調(diào)整到一級柔性鉸鏈(8)所在位置處；在所述一級杠桿(1)的非自由端設(shè)置一級杠桿配重塊(Ia)，使一級杠桿(1)及其延伸段(18)、一級過渡桿(5)、一級懸臂(5a)及一級過渡桿配重塊(Ib)共同的重心調(diào)整到一級支點O)的位置上；在所述二級過渡桿(6)的中部通過固聯(lián)的二級懸臂(6a)設(shè)置二級過渡桿配重塊(6b)，使二級過渡桿(6)的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈(11)所在位置處；在所述二級杠桿(3)的桿外端處設(shè)置二級杠桿配重塊(3a)，使所述二級杠桿(3)、二級過渡桿(6)、二級懸臂(6a)及二級過渡桿配重塊(6b)共同的重心調(diào)整到二級支點(10)的位置處；在所述三級杠桿的三級支點 (15)與輸出端(13)之間的位置設(shè)置三級杠桿配重塊( )，使所述三級杠桿⑷的重心調(diào)整到三級支點(1 所在位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式垂直微力測量裝置，其特征是在所述一級支點O)、二級支點(11)和三級支點(巧)所在位置處，一級杠桿(1)、二極杠桿C3)和三級杠桿(4)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。
3.—種權(quán)利要求1所述的差動式垂直微力測量裝置的測量方法，其特征是按以下方式實現(xiàn)差動測量定義一級杠桿的輸入端所加載的力為0時，各杠桿所在的位置為初始位置；在所述一級杠桿的輸入端加載需要測量的垂直方向的微力F1，各桿件產(chǎn)生偏移，其中一對三級杠桿繞著各自的三級支點產(chǎn)生相反的傾斜，在一對三級杠桿的輸出端產(chǎn)生相反的位移，根據(jù)被測量的微力Fl的大小和方向，以驅(qū)動裝置驅(qū)動所述一對三級支點沿縱向軌道作出相應(yīng)的上下移動，直至一對四級柔性鉸鏈恢復(fù)到初始位置，從而使除三級杠桿以外的其它各級杠桿及過渡杠桿也恢復(fù)到相應(yīng)的初始位置，而一對三級杠桿的輸出端的相對位移進一步加大，通過一對輸出端產(chǎn)生的相對位移，將力傳遞到力傳感器上，實現(xiàn)力的測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差動式垂直微力測量裝置及測量方法，其特征是在水平放置的一級杠桿的中部設(shè)置一級支點，以一級支點為中心，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿對稱分處在一級支點的兩側(cè)，并在各自一側(cè)通過一級過渡桿與一級杠桿聯(lián)結(jié)，一對二級杠桿還分別通過二級過渡桿與各自一側(cè)的三級杠桿相聯(lián)結(jié)，本發(fā)明可以為微小力值的測力系統(tǒng)提供支持。
文檔編號G01L1/00GK102288332SQ201110212459
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者劉煥進, 姜禮杰, 尹鵬飛, 楊科, 滑志龍, 王勇 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)