本發(fā)明涉及用自重平衡鉸鏈結構實現(xiàn)微小力值的測量與溯源裝置，屬于微納力值測量領域。具體講,涉及基于自重平衡鉸鏈的微力溯源裝置與方法。

背景技術：

現(xiàn)階段，微納量級的力值已越來越多的應用于新材料、生物醫(yī)藥、微電子、航空航天、國防等諸多領域，為了促進相關領域的關鍵技術提升，各國對于微納力值的計量方法紛紛展開研究。在微力測量系統(tǒng)中，將微小力值轉化成可溯源標準量并將其輸出的傳遞機構是影響力值測量的關鍵環(huán)節(jié)，它并不直接參與到力值的計算中，但卻決定了測量系統(tǒng)能夠達到的力值測量水平。力值測量系統(tǒng)中，要求力值傳遞機構具有較高的靈敏度和重復性精度，適宜的自由度限制以及良好的動態(tài)特性。柔性鉸鏈機構因其無摩擦，體積小，無間隙和運動平穩(wěn)的特點而備受青睞，并且通過柔性鉸鏈可以實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定性的微納力值測量。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種分辨力可達10^-8N的基于自重平衡鉸鏈的微力溯源裝置與方法。具體來說，就是在微小力值測量與溯源裝置與方法中，對力值傳遞機構進行合理的選擇與設計，并對其進行不斷的優(yōu)化，設計出擁有自重平衡機構的平行四邊形鉸鏈機構，通過此機構能實現(xiàn)分辨力為10^-8N的微小力值測量。為此，本發(fā)明采用的技術方案是，基于自重平衡鉸鏈的微力溯源方法，利用同軸度測量裝置、電容梯度測量裝置、標準質量與靜電力比對裝置、帶自重平衡的柔性鉸鏈機構實現(xiàn)，同軸度測量裝置包括兩個CCD相機、兩個平行遠心光源和計算機；電容梯度測量裝置包括平衡電容電橋、納米微動臺以及一對圓柱形電容傳感器，圓柱形電容傳感器結構是由薄壁圓筒結構的內外電極同軸安裝；標準質量與靜電力比對裝置包括標準質量環(huán)、電控升降臺、PID控制器、數(shù)字源表和激光尺；測量步驟是：

在兩個相互垂直的方向上，平行遠心光源與CCD相機分別位于圓柱形電容傳感器兩側，用于獲得內外電極邊緣灰度圖像，通過后續(xù)的圖像處理獲得準確的邊緣位置，進行內外電極同軸檢測和調整，通過納米微動臺移動外電極使其發(fā)生z向位移，采用激光尺測量該z向位移值dz，同時采用平衡電容電橋測量圓柱形電容傳感器電容值的變化量dC，以完成位移電容值比例關系dC/dz的測量；當標準質量環(huán)施加到帶自重平衡的柔性鉸鏈機構上后，帶自重平衡的柔性鉸鏈機構帶動與其固定連接的內電極將產生與被測力值大小成比例的變形；激光尺將測量到的位移信號輸入到PID控制器中，控制器將控制信號輸入數(shù)字源表，數(shù)字源表輸出電壓U到內外電極上，使內電極位移恢復到初始平衡位置，數(shù)據處理及力值計算模塊將輸入的dz、dC、U信號處理，并計算得到靜電力。

帶自重平衡的柔性鉸鏈機構是由4個水平方向的單鉸鏈和5個垂直方向的單鉸鏈組成一個平行四邊形機構，平行四邊形機構一端固定，平行四邊形機構上、下邊端部各水平設置一個柔性鉸鏈；平行四邊形機構中部設置有與平行四邊形機構上、下邊平行的一個杠桿，杠桿中部與平行四邊形機構上邊之間由一垂直設置的柔性鉸鏈相連，杠桿一端與平行四邊形機構下邊之間由四個垂直設置的柔性鉸鏈相連，杠桿另一端連接平衡法瑪，調節(jié)杠桿端部的平衡砝碼使上、下邊上鉸鏈位于水平位置，從而實現(xiàn)自重平衡，內電極固定于與平行四邊形機構固定一端相對應的另一端。

內外電極之間施加電壓U與靜電力F之間的關系是：

基于自重平衡鉸鏈的微力溯源裝置，由同軸度測量裝置、電容梯度測量裝置、標準質量與靜電力比對裝置、帶自重平衡的柔性鉸鏈機構構成，

同軸度測量裝置包括兩個CCD相機、兩個平行遠心光源和計算機；電容梯度測量裝置包括平衡電容電橋、納米微動臺以及一對圓柱形電容傳感器，圓柱形電容傳感器結構是由薄壁圓筒結構的內外電極同軸安裝；標準質量與靜電力比對裝置包括標準質量環(huán)、電控升降臺、PID控制器、數(shù)字源表和激光尺；

其中，在兩個相互垂直的方向上，平行遠心光源與CCD相機分別位于圓柱形電容傳感器兩側；納米微動臺用于移動外電極使其發(fā)生z向位移；激光尺測量z向位移值dz，平衡電容電橋用于測量圓柱形電容傳感器電容值的變化量dC，以完成位移電容值比例關系dC/dz的測量；當標準質量環(huán)施加到帶自重平衡的柔性鉸鏈機構上后，帶自重平衡的柔性鉸鏈機構帶動外電極將產生與被測力值大小成比例的變形；激光尺將測量到的位移信號輸入到PID控制器中，控制器將控制信號輸入數(shù)字源表，數(shù)字源表輸出電壓U到內外電極上，使內電極位移恢復到初始平衡位置，數(shù)據處理及力值計算模塊將輸入的dz、dC、U信號處理，并計算得到靜電力。

帶自重平衡的柔性鉸鏈機構是由4個水平方向的單鉸鏈和5個垂直方向的單鉸鏈組成一個平行四邊形機構，平行四邊形機構一端固定，平行四邊形機構上、下邊端部各水平設置一個柔性鉸鏈；平行四邊形機構中部設置有與平行四邊形機構上、下邊平行的一個杠桿，杠桿中部與平行四邊形機構上邊之間由一垂直設置的柔性鉸鏈相連，杠桿一端與平行四邊形機構下邊之間由四個垂直設置的柔性鉸鏈相連，杠桿另一端連接平衡法瑪，調節(jié)杠桿端部的平衡砝碼使上、下邊上鉸鏈位于水平位置，從而實現(xiàn)自重平衡，內電極固定于與平行四邊形機構固定一端相對應的另一端。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

經過對微小力值的多次測量與分析實驗，結果表明本發(fā)明所建立的分辨力可達10^-8N的基于自重平衡鉸鏈的微力溯源裝置與方法，可以實現(xiàn)10^-7N的微小力值的測量，克服了現(xiàn)有力值傳遞機構的很多局限性，比如傳統(tǒng)平行四邊形鉸鏈長期懸掛易產生塑性變形及的缺點，此自重平衡鉸鏈在平行四邊形柔性鉸鏈的基礎上增加一個平衡鉸鏈自身重量的杠桿機構，不僅能有效減小鉸鏈的懸掛變形，還能通過減小鉸鏈預變形來降低其剛度，使力值傳遞機構的分辨力顯著提高。

附圖說明：

圖1為微小力值測量與溯源裝置的系統(tǒng)整體裝置示意圖；

圖中，1-隔振臺 2-光源 3-相機 4-鉸鏈 5-直角塊 6-電控角位移臺 7-電控平移臺

8-顯微鏡 9-手動平移臺 10-手動角位移臺 11-電控升降臺 12-納米位移臺 13-圓柱電容器 14-微懸臂 15-激光尺 16-手動升降臺 17-真空罐。

圖2為自重平衡鉸鏈的結構示意圖；

圖3為鉸鏈變形示意圖；

圖4為中心杠桿受力圖；

圖5為自重平衡鉸鏈72小時蠕變測試圖；

圖6為自重平衡鉸鏈階躍響應頻譜分析圖；

圖7為信號傳感與處理系統(tǒng)功能框圖；

圖8為圓柱形電容傳感器的結構圖。

具體實施方式

本發(fā)明以靜電場微小力測量裝置為基礎，提出并設計了一種分辨力可達10^-8N的基于自重平衡鉸鏈的微力溯源裝置與方法。由于在實驗過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)平行四邊形鉸鏈長期懸掛易產生塑性變形及蠕變，因此在傳統(tǒng)的平行四邊形鉸鏈基礎上進行了相應的優(yōu)化設計，將鉸鏈連接處的剛性鉸鏈結構以柔性彈性鉸鏈代替，并增加一個平衡鉸鏈自身重量的杠桿機構，這樣既保留了平行四邊形鉸鏈對運動自由度限制的特點，也減小了鉸鏈的懸掛變形，并能通過減小鉸鏈預變形來使鉸鏈剛度降低。

本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

微小力值測量與溯源裝置包括同軸度測量裝置、電容梯度測量裝置、標準質量與靜電力比對裝置等。同軸度測量裝置包括兩個工業(yè)級高分辨率CCD相機、兩個平行遠心光源和計算機；電容梯度測量裝置包括平衡電容電橋、納米微動臺以及一對圓柱形電容傳感器；標準質量與靜電力比對裝置包括標準質量環(huán)、電控升降臺、PID控制器和激光尺。

基于靜電力原理，利用一對同軸圓柱電容器產生靜電力平衡待測微小力。由靜電力原理可知在內外電極之間施加電壓U與靜電力F之間的關系是：

因此在測量之前標定好電容梯度dC/dz后，施加待測力，由激光尺檢測鉸鏈端部位移，在內外電極之間施加電壓產生靜電力，在其作用下，鉸鏈變形逐漸減小，由激光尺檢測鉸鏈端部直至回到初始位置，記錄下此時的電壓值，由此電壓值以及標定好的電容梯度，即可計算出其對應的靜電力值，即待測微小力值。

本發(fā)明的最佳實施方式可分為以下幾個步驟：

微小力值測量與溯源裝置包括以下三個模塊，模塊一為同軸度測量模塊；模塊二為dC/dz測量模塊；模塊三為數(shù)據處理及力值計算模塊。同軸度測量模塊采用高精度的同軸度測量算法來實現(xiàn)內外電極同軸度的精密測量，在兩個相互垂直的方向上，平行遠心光源與CCD相機分別位于圓柱形電容傳感器兩側，這樣調焦后適當調整曝光時間可獲得清晰的灰度圖像，電極邊緣清晰，可通過后續(xù)的圖像處理獲得準確的邊緣位置；當內外電極同軸檢測和調整完成后，電容梯度測量模塊通過納米微動臺移動外電極使其發(fā)生z向位移，采用激光位移測量系統(tǒng)測量該位移dz，同時采用平衡電容電橋測量電容值的變化量dC，以完成dC/dz的測量；當標準質量環(huán)由電控升降臺施加到彈性支撐上后，彈性支撐和內電極將產生與被測力值大小成比例的變形。激光尺將測量到的位移信號輸入到PID控制器中，控制器將控制信號輸入數(shù)字源表，數(shù)字源表輸出電壓U到內外電極上，使內電極位移恢復到初始平衡位置。數(shù)據處理及力值計算模塊將輸入的dz、dC、U信號處理，并計算得到靜電力。圖1所示為微小力值測量與溯源裝置的系統(tǒng)整體裝置示意圖：

在微小力值測量與溯源量系統(tǒng)中將微小力值轉化成可溯源標準量并將其輸出的傳遞機構是平行四邊形柔性鉸鏈。由于在實驗過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)平行四邊形鉸鏈長期懸掛易產生塑性變形，并且系統(tǒng)的蠕變較大。由于蠕變和應力有關，而柔性鉸鏈長期懸掛內電極，并且其固定方式決定了它在工作時要受到重力作用，因此鉸鏈薄壁處始終有向下的載荷，使鉸鏈產生應力和變形。該應力和變形是造成蠕變的主要原因。因此設計了如圖2所示的帶自重平衡的柔性鉸鏈機構。該機構使鉸鏈在工作薄壁處只有較小的變形，這樣不僅減小了應力，降低了鉸鏈工作時的蠕變，提高了測量精度；又減小了鉸鏈的初始變形，降低鉸鏈工作時的等效剛度，提高了力值分辨力。該機構由4個水平方向的單鉸鏈和5個垂直方向的單鉸鏈組成一個平行四邊形機構，所有單鉸鏈都是柔性的，材料為鈹青銅，通過在平行四邊形鉸鏈機構的基礎上增加一個杠桿，杠桿與平行四邊形機構通過螺釘連接，調節(jié)杠桿端部的平衡砝碼，可以調整鉸鏈水平，這樣原本由兩個臂上的四個切口變形承受的鉸鏈自重，現(xiàn)在由杠桿來平衡。

(1)自重平衡鉸鏈剛度分析

在一次仿真分析中，對鉸鏈施加一個豎直向下的力，得到變形如圖3所示。A點處的豎直位移為5.026mm，水平位移為0.001mm，B點處的豎直位移為5.1mm，水平位移為0.37mm。可見運動過程中水平位移可忽略不計，也就是說豎直四個鉸鏈可認為是“繩子”不參與到剛度計算中去，因此只需計算外圍平行四邊形鉸鏈的剛度和中心杠桿的剛度。

平行四邊形鉸鏈的剛度前面已經分析過，下面來討論中心杠桿的剛度，圖4為中心杠桿的受力變形示意圖。

在力F的作用下杠桿端部向下運動x，杠桿支撐的扭轉剛度為：

由于于是杠桿機構的剛度為：

根據幾何關系可知五個長切口處的角變形量θ是相等的，結合公式(2-2)可得到帶自重平衡的平行四邊形鉸鏈剛度公式為：

其中，f(x)是為簡化剛度公式而擬定的一個函數(shù)關系式，其具體的表達式為E為鈹青銅材料的彈性模量，t為鉸鏈切口處厚度，b為鉸鏈寬度，R為切口橢圓的長軸半徑，r為短軸半徑，l為鉸鏈工作的有效長度，l₂為杠桿臂的有效長度。

根據公式(2-3)確定鉸鏈尺寸，t＝0.1mm，b＝4mm，R＝15mm，r＝5mm，l＝104mm，l₂＝138mm，計算出該鉸鏈的理論剛度為6.9951N/m。

(2)自重平衡鉸鏈蠕變特性

對自重平衡鉸鏈進行蠕變測試，得到圖5所示的實驗結果。

實現(xiàn)了72小時內不超過1微米的蠕變性能，提高了靜電力裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(3)自重平衡鉸鏈頻譜分析

在本發(fā)明的測量方案中，自重平衡鉸鏈一端連接于固定底座，另一端與內電極相連使其懸置于外電極中。這種結構使鉸鏈極易受外界振動的影響而發(fā)生自振。通過對鉸鏈的振動頻譜分析，找到鉸鏈的諧振頻率，并根據其振動頻率選擇合適的隔振手段以盡可能的減小外界振動對測量的影響。

由頻域函數(shù)我們可以清晰的得出該自重平衡鉸鏈的諧振頻率F_q＝4.5Hz，在諧振頻率附近的外界振動會對鉸鏈產生較大的影響。

本傳感系統(tǒng)基于靜電力原理，力值發(fā)生裝置采用同軸圓柱型電容傳感器，將內電極固定于自重帶自重平衡柔性鉸鏈一端，外電極固定。當被測力施加到內電極上的質量托盤時，內電極會跟隨鉸鏈產生豎直方向的位移，而裝置底下的激光尺可以測量并記錄位移量的大小，根據靜電力公式，當電壓施加于內外電極時，也會產生豎直方向的靜電力F，通過調整內外電極的電壓值，可以產生不同的靜電力用以平衡之前內電極產生的位移變化，使內電極始終保持在平衡位置，并記錄相應的電壓值U，可以用記錄的電壓值計算得出相應的靜電力值，該值與被測力大小相等，從而實現(xiàn)了微小力值的測量。圖7所示為信號傳感與處理系統(tǒng)功能框圖。

微小力值具體的計算方法如下：基于靜電力的微納力值裝置的關鍵部件是圓柱形電容傳感器，其結構如圖8所示。

對于同軸圓柱形電容傳感器，電容梯度dC/dz可視為常數(shù)，其復現(xiàn)的靜電力隨施加在內外電極兩端電壓的變化而變化。由薄壁圓筒結構的內外電極同軸安裝，構成靜電力復現(xiàn)機構。外電極通過固定及姿態(tài)調整單元固定于光學平臺上，內電極通過帶自重平衡的平行四邊形柔性鉸鏈機構懸置于外電極之中，其相對位置通過位置調整系統(tǒng)進行調整。采用激光尺測量內電極的相對位移。在內電極、外電極間施加電壓，系統(tǒng)產生初始靜電力，此時內電極的位置為平衡位置。標準砝碼或被測懸臂通過懸臂梁固定與自動加載單元將外力施加到柔性鉸鏈機構和內電極上。內電極受到外力后偏離平衡位置。采用內電極位移反饋系統(tǒng)，通過改變內電極、外電極的電勢差，使內電極重新回到平衡位置。根據下述公式得到對應的靜電力。該靜電力與外力大小相等，方向相反。

五、驗證該方法的合理性和有效性。針對基于靜電力原理的微小力值測量裝置進行計量性能分析與試驗,實現(xiàn)10^-4N～10^-5N的靜態(tài)力值可溯源測量。采用同軸圓筒電極完成基于靜電力的微納力值裝置搭建與全面調試。設計了同軸調整操作方法、電容梯度測量方法、砝碼校驗方法。根據此裝置的不確定度的理論分析以及電容梯度的實際測量結果，基于靜電力的微納力值裝置的力值相對標準不確定度小于2％。

綜上所述，本發(fā)明提出的基于自重平衡鉸鏈的微力溯源裝置與方法，將可實現(xiàn)自重平衡的鉸鏈與微力測量結合起來，克服了傳統(tǒng)平行四邊行鉸鏈因長期懸掛而產生的塑性變形及蠕變；通過減小鉸鏈預變形，降低了系統(tǒng)的剛度，測力分辨力可達10^-8量級，同時也為更小尺度力值計量打下基礎。