專利名稱：差動式水平微力測量裝置的測量方法
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的測量方法。
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(jié)構(gòu)設(shè)計，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(yuǎn)遠(yuǎn)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)所存在的不足之處，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(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)明差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特點是設(shè)置差動式水平微力測量裝置為以豎直設(shè)置的一級杠桿為中心桿，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿對稱分處在一級杠桿的兩側(cè)，并分別通過各自一側(cè)的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)的三級杠桿聯(lián)結(jié)。所述一級杠桿為一直桿，直桿的頂端設(shè)置為一級支點，直桿的底端是作為輸入端的自由端，被測微力Fl加載在直桿的自由端；所述一級杠桿的中部通過一級柔性鉸鏈與對稱分處在兩側(cè)的一級過渡桿的內(nèi)端相連接。所述二級杠桿是由水平桿和豎直桿構(gòu)成的倒置的“L”型桿，豎直桿的底端在桿側(cè)部通過二級柔性鉸鏈連接在一級過渡桿的外端，二級支點位于水平桿的桿端側(cè)部，在二級支點和豎直桿之間設(shè)置三級柔性鉸鏈將水平桿與二級過渡桿的底端相連接，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外端側(cè)部。所述三級杠桿呈水平設(shè)置，以在兩側(cè)對稱設(shè)置的一對三級杠桿的內(nèi)端為輸出端，所述輸出端與力傳感器相接觸，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外端固聯(lián)一對朝向過渡桿內(nèi)端所在一側(cè)延伸的連桿，在所述連桿的桿端固聯(lián)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；在所述一級杠桿上，位于一級支點和一級柔性鉸鏈之間的位置通過固聯(lián)的一對一級懸臂設(shè)置一級杠桿配重塊，使一級杠桿、一級過渡桿、連桿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固聯(lián)一對二級懸臂，在二級懸臂的臂端設(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；在所述二級杠桿的水平桿的桿端設(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)整到二級支點所在位置處；在所述三級杠桿的三級支點與輸出端之間的位置處設(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)明差動式水平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O時，一級杠桿、二級杠桿和三級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被測水平方向的微力Fl,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)所測量微力的大小和方向，驅(qū)動裝置驅(qū)動所述一對三級支點沿縱向軌道作相應(yīng)的縱向移動，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，通過一對三級杠桿的輸出端產(chǎn)生的相對位移將力傳遞到力傳感器上，實現(xiàn)力的測量。本發(fā)明差動式水平微力測量裝置的測量的特點也在于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，一級杠桿、二極杠桿的水平桿以及三極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。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、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),將要測量的水平微力進行放大，本發(fā)明機構(gòu)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，一級杠桿和具有配重結(jié)構(gòu)的一級過渡桿共同的重心調(diào)整到一級支點處，二級杠桿和具有配重結(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，利于測量精度的提聞。4、本發(fā)明一級支點、二級支點和三級支點處的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I為本發(fā)明中水平微力測量裝置原理圖；圖2為本發(fā)明中一級過渡桿上配重結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中標(biāo)號I 一級杠桿；2 —級支點；3自由端；4 一級過渡桿；5 —級柔性鉸鏈；6水平桿；7豎直桿；8 二級柔性鉸鏈；9 二級支點；10三級柔性鉸鏈；11 二級過渡桿；12四級柔性鉸鏈；13三級杠桿；14輸出端；15傳感器；16三級支點；17縱向軌道；18驅(qū)動裝置；13a三級過渡桿配重塊；la —級懸臂；lb —級杠桿配重塊；4a連桿；4b —級過渡桿配重塊；lla二級懸臂；llb 二級過渡桿配重塊。
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(shè)置的一級杠桿I為中心桿，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿對稱分處在一級杠桿I的兩側(cè)，并分別通過各自一側(cè)的一級過渡桿4與二級杠桿I聯(lián)結(jié)，一對二級杠桿還分別通過二級過渡桿11與各自一側(cè)的三級杠桿13聯(lián)結(jié)；—級杠桿I為一直桿，直桿的頂端為一級支點2,直桿的底端是作為輸入端的自由端3,被測微力Fl加載在直桿的自由端3 級杠桿I的中部通過一級柔性鉸鏈5與對稱分處在兩側(cè)的一級過渡桿4的內(nèi)端相連接；二級杠桿是由水平桿6和豎直桿7構(gòu)成的倒置的“L”型桿，豎直桿7的底端在桿側(cè)部通過二級柔性鉸鏈8連接在一級過渡桿4的外端，二級支點9位于水平桿6的桿端側(cè)部，在二級支點9和豎直桿7之間設(shè)置三級柔性鉸鏈10將水平桿6與二級過渡桿11的底端相連接，二級過渡桿11的頂端通過四級柔性鉸鏈12連接在三級杠桿13的外端側(cè)部；三級杠桿13呈水平放置，以在兩側(cè)對稱設(shè)置的一對三級杠桿13的內(nèi)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(shè)置在三級杠桿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(yīng)變能量損耗，將三級支點16設(shè)置在縱向軌道17中，并可以由驅(qū)動裝置18驅(qū)動在縱向軌道17中上下移動，以此保證在最終實現(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，更進一步提高放大倍數(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)擴大測量量程。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杠桿I的兩側(cè)。為了消除重心變化對各桿件造成的影響，配重塊的設(shè)置可以按以下方式進行在一級過渡桿4的外端固聯(lián)一對朝向過渡桿內(nèi)端所在一側(cè)延伸的連桿4a，在連桿4a的桿端固聯(lián)一級過渡桿配重塊4b，使一級過渡桿4的重心調(diào)整到一級柔性鉸鏈5所在位置處；在一級杠桿I上，位于一級支點2和一級柔性鉸鏈5之間的位置通過固聯(lián)的一對一級懸臂Ia設(shè)置一級杠桿配重塊lb，使一級杠桿I、一級過渡桿4、連桿4a及一級過渡桿配重塊4b共同的重心調(diào)整到一級支點2的位置上；在二級過渡桿11的中部固聯(lián)一對二級懸臂11a，在二級懸臂Ila的臂端設(shè)置二級過渡桿配重塊11b，使二級過渡桿11的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈10所在位置處；在二級杠桿的水平桿6的桿端設(shè)置二級杠桿配重塊6a，使二級杠桿、二級過渡桿、二級懸臂11a、及二級過渡桿配重塊Ilb共同的重心調(diào)整到二級支點9所在位置處；在三級杠桿的三級支點16與輸出端14之間的位置處設(shè)置三級杠桿配重塊13a，使三級杠桿13的重心調(diào)整到三級支點16所在位置處。為了消除重心變化對各桿件造成的影響，配重塊的設(shè)置也可以按以下方式進行在一級杠桿I上，位于一級支點2和一級柔性鉸鏈5之間的位置通過固聯(lián)的一對一級懸臂Ia設(shè)置一級杠桿配重塊lb，使一級杠桿I的重心調(diào)整到一級支點2的位置上；在一級過渡桿4的外端固聯(lián)一對連桿4a，在連桿4a的桿端固聯(lián)一級過渡桿配重塊4b，使一級過渡桿的重心調(diào)整到二級柔性鉸鏈8所在位置處；在二級過渡桿11的中部固聯(lián)一對二級懸臂11a， 在二級懸臂Ila的臂端設(shè)置二級過渡桿配重塊11b，使二級過渡桿11的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈10所在位置處；在二級杠桿的水平桿6的桿端處設(shè)置二級杠桿配重塊6a，使二級杠桿、連桿4a，一級過渡桿配重塊4b，一級過渡桿4、二級懸臂11a、二級過渡桿配重塊Ilb和二級過渡桿11共同的重心調(diào)整到二級支點9所在位置處；在三級杠桿的三級支點16與輸出端14之間的位置處設(shè)置三級杠桿配重塊13a，使三級杠桿的重心調(diào)整到三級支點所在位置處。為了消除重心變化對各桿件造成的影響，配重塊的設(shè)置還可以按以下方式進行在一級杠桿I上，位于一級支點2和一級柔性鉸鏈5之間的位置通過固聯(lián)的一對一級懸臂Ia設(shè)置一級杠桿配重塊lb，使一級杠桿I的重心調(diào)整到一級支點2的位置上；在 一級過渡桿4的外端固聯(lián)一對連桿4a，在連桿4a的桿端固聯(lián)一級過渡桿配重塊4b，使一級過渡桿的重心調(diào)整到二級柔性鉸鏈8所在位置處；在二級杠桿的水平桿的桿端處設(shè)置二級杠桿配重塊6a，使二級杠桿、連桿4a，一級過渡桿配重塊4b，一級過渡桿4共同的重心調(diào)整到二級支點9所在位置處；在二級過渡桿的中部固聯(lián)一對二級懸臂11a，在二級懸臂Ila的臂端設(shè)置二級過渡桿配重塊11b，使二級過渡桿的重心調(diào)整到四級柔性鉸鏈12所在位置處；在三級杠桿的三級支點16與輸出端14之間的位置處設(shè)置三級杠桿配重塊13a，使三級杠桿、二級懸臂I la、二級過渡桿配重塊Ilb和二級過渡桿11共同的重心調(diào)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桿的配重塊，但會降低力的測量精度和減小力的測量范圍。在一級支點2、二級支點9和三級支點16所在位置處，一級杠桿I、二極杠桿的水平桿6以及三極杠桿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(yīng)力，避免重力產(chǎn)生的彎矩導(dǎo)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采用與重力方向成一致的設(shè)置。本實施例按以下方式實現(xiàn)水平微力的差動測量定義一級杠桿的輸入端所加載的力為O時，一級杠桿、二級杠桿和三級杠桿所在的位置為初始位置；在一級杠桿的輸入端加載被測水平方向的微力Fl,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)所測量微力的大小和方向，驅(qū)動裝置驅(qū)動一對三級支點沿縱向軌道作相應(yīng)的縱向移動，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，通過一對三級杠桿的輸出端產(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設(shè)置驅(qū)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，并減小力的測量范圍。
本發(fā)明測量裝置可以實現(xiàn)10_2以下的微力的測量。
權(quán)利要求
1.一種差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特征是 設(shè)置差動式水平微力測量裝置為是以豎直設(shè)置的一級杠桿(I)為中心桿，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿對稱分處在一級杠桿(I)的兩側(cè)，并分別通過各自一側(cè)的一級過渡桿(4)與一級杠桿(I)聯(lián)結(jié)，所述一對二級杠桿還分別通過二級過渡桿(11)與各自一側(cè)的三級杠桿(13)聯(lián)結(jié)； 所述一級杠桿(I)為一直桿，直桿的頂端設(shè)置為一級支點(2),直桿的底端是作為輸入端的自由端(3)，被測微力Fl加載在直桿的自由端(3);所述一級杠桿(I)的中部通過一級柔性鉸鏈(5)與對稱分處在兩側(cè)的一級過渡桿(4)的內(nèi)端相連接； 所述二級杠桿是由水平桿(6)和豎直桿(7)構(gòu)成的倒置的“L”型桿，豎直桿(7)的底端在桿側(cè)部通過二級柔性鉸鏈(8)連接在一級過渡桿(4)的外端，二級支點(9)位于水平桿(6)的桿端側(cè)部，在二級支點(9)和豎直桿(7)之間設(shè)置三級柔性鉸鏈(10)將水平桿(6)與二級過渡桿(11)的底端相連接，所述二級過渡桿(11)的頂端通過四級柔性鉸鏈(12)連接在三級杠桿(13)的外端側(cè)部； 所述三級杠桿(13)呈水平設(shè)置，以在兩側(cè)對稱設(shè)置的一對三級杠桿(13)的內(nèi)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(shè)置在三級杠桿(13)的中部，所述三級支點(16)位于縱向軌道(17)中，并可以由驅(qū)動裝置(18)驅(qū)動在縱向軌道(17)中上下移動； 在所述一級過渡桿⑷的外端固聯(lián)一對朝向過渡桿內(nèi)端所在一側(cè)延伸的連桿(4a),在所述連桿(4a)的桿端固聯(lián)一級過渡桿配重塊(4b)，使一級過渡桿(4)的重心調(diào)整到一級柔性鉸鏈(5)所在位置處；在所述一級杠桿(I)上，位于一級支點(2)和一級柔性鉸鏈(5)之間的位置通過固聯(lián)的一對一級懸臂(Ia)設(shè)置一級杠桿配重塊(Ib)，使一級杠桿(I)、一級過渡桿(4)、連桿(4a)及一級過渡桿配重塊(4b)共同的重心調(diào)整到一級支點(2)的位置上；在所述二級過渡桿(11)的中部固聯(lián)一對二級懸臂(11a)，在二級懸臂(Ila)的臂端設(shè)置二級過渡桿配重塊(11b)，使二級過渡桿(11)的重心調(diào)整到三級柔性鉸鏈(10)所在位置處；在所述二級杠桿的水平桿(6)的桿端設(shè)置二級杠桿配重塊(6a)，使所述二級杠桿、二級過渡桿(11)、二級懸臂(Ila)及二級過渡桿配重塊(Ilb)共同的重心調(diào)整到二級支點(9)所在位置處；在所述三級杠桿(13)的三級支點(16)與輸出端(14)之間的位置處設(shè)置三級杠桿配重塊(13a)，使所述三級杠桿(13)的重心調(diào)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(xiàn)差動測量 定義一級杠桿的輸入端所加載的力為0時，一級杠桿、二級杠桿和三級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被測水平方向的微力Fl,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)所測量微力的大小和方向，驅(qū)動裝置驅(qū)動所述一對三級支點沿縱向軌道作相應(yīng)的縱向移動，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，通過一對三級杠桿的輸出端產(chǎn)生的相對位移將力傳遞到力傳感器上,實現(xiàn)力的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特征是 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，一級杠桿(I)、二極杠桿的水平桿(6)以及三極杠桿(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(fā)明公開了一種差動式水平微力測量裝置的測量方法，其特征是所述差動式水平微力測量裝置是以豎直設(shè)置的一級杠桿為中心桿，在同一豎直平面內(nèi)，一對二級杠桿對稱分處在一級杠桿的兩側(cè)，并分別通過各自一側(cè)的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)的三級杠桿聯(lián)結(jié)。本發(fā)明用來為微小力值的測力系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者王勇, 劉煥進, 姜禮杰, 尹鵬飛, 滑志龍, 楊科 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)