专利名称：差动式水平微力测量装置及测量方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别涉及一种微力测量装置。
背景技术：
随着现代科学技术的发展以及各种新材料、新产品的出现，需要微小力测量的场合越来越多。但是微小力值的计量体系还没有建立起来，到目前为止，10_5牛顿以下的微、纳牛级超小力值可溯源的测量方法还没有建立起来，因此研制一种使用方便、价格低廉的微力值计量测试仪器以测量各种场合微小力就显得尤为重要。目前微力测量主要有压阻式、 电容式、压电式等，压阻式测力是利用压阻材料的压阻效应制备的一种力测量装置，但这种方法容易受到温度的影响；电容式容易受到电磁场的干扰，压电微悬臂梁式测力成本低，但操作不便且量程较小。目前柔性铰链机构在精密测量、标定等领域得到了广泛应用，但是关于柔性铰链变形、杠杆重心位置以及温度的变化对测量及标定精度的影响尚缺少综合的考虑和研究， 尚未见到能有效消除重力和温度两方面因素影响的结构设计，而在对微力进行标定或者测量时，为了获得更高的精度，必须要解决以上几方面对微力的标定或测量所造成的影响，重力以及温度产生的影响可能远远大于微力标定或测量的最大量程，对微力标定或测量产生致命的影响。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可满足一定测量精度的要求、并且低成本的差动式水平微力测量装置及测量方法，用来为微小力值的测力系统提供支持。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明差动式水平微力测量装置的结构特点是以竖直设置的一级杠杆为中心杆， 在同一竖直平面内，一对二级杠杆对称分处在一级杠杆的两侧，并分别通过各自一侧的一级过渡杆与一级杠杆联结，所述一对二级杠杆还分别通过二级过渡杆与各自一侧的三级杠杆联结；所述一级杠杆为一直杆，直杆的顶端设置为一级支点，直杆的底端是作为输入端的自由端，被测微力Fl加载在直杆的自由端；所述一级杠杆的中部通过一级柔性铰链与对称分处在两侧的一级过渡杆的内端相连接；所述二级杠杆是由水平杆和竖直杆构成的倒置的“L”型杆，竖直杆的底端在杆侧部通过二级柔性铰链连接在一级过渡杆的外端，二级支点位于水平杆的杆端侧部，在二级支点和竖直杆之间设置三级柔性铰链将水平杆与二级过渡杆的底端相连接，所述二级过渡杆的顶端通过四级柔性铰链连接在三级杠杆的外端侧部；所述三级杠杆呈水平设置，以在两侧对称设置的一对三级杠杆的内端为输出端， 所述输出端与力传感器相接触，三级支点设置在三级杠杆的中部，所述三级支点位于纵向轨道中，并可以由驱动装置驱动在纵向轨道中上下移动；在所述一级过渡杆的外端固联一对朝向过渡杆内端所在一侧延伸的连杆，在所述连杆的杆端固联一级过渡杆配重块，使一级过渡杆的重心调整到一级柔性铰链所在位置处；在所述一级杠杆上，位于一级支点和一级柔性铰链之间的位置通过固联的一对一级悬臂设置一级杠杆配重块，使一级杠杆、一级过渡杆、连杆及一级过渡杆配重块共同的重心调整到一级支点的位置上；在所述二级过渡杆的中部固联一对二级悬臂，在二级悬臂的臂端设置二级过渡杆配重块，使二级过渡杆的重心调整到三级柔性铰链所在位置处；在所述二级杠杆的水平杆的杆端设置二级杠杆配重块，使所述二级杠杆、二级过渡杆、二级悬臂及二级过渡杆配重块共同的重心调整到二级支点所在位置处；在所述三级杠杆的三级支点与输出端之间的位置处设置三级杠杆配重块，使所述三级杠杆的重心调整到三级支点所在位置处。本发明差动式水平微力测量装置的结构特点也在于在所述一级支点、二级支点和三级支点所在位置处，一级杠杆、二极杠杆的水平杆以及三极杠杆分别通过各支点柔性铰链与基座相连接，所述各支点柔性铰链均悬置在基架上，与重力方向成一致。本发明差动式水平微力测量装置的测量方法的特点是按以下方式实现差动测量定义一级杠杆的输入端所加载的力为0时，一级杠杆、二级杠杆和三级杠杆所在的位置为初始位置；在所述一级杠杆的输入端加载被测水平方向的微力F1，各杆件产生偏移，其中一对三级杠杆绕着各自的三级支点产生相反的倾斜，在一对三级杠杆的输出端产生相反的位移，根据所测量微力的大小和方向，驱动装置驱动所述一对三级支点沿纵向轨道作相应的纵向移动，直至一对四级柔性铰链恢复到初始位置，从而使除三级杠杆以外的其它各级杠杆及过渡杠杆也恢复到相应的初始位置，而一对三级杠杆的输出端的相对位移进一步加大，通过一对三级杠杆的输出端产生的相对位移将力传递到力传感器上，实现力的测量。与已有技术相比，本发明有益效果体现在1、本发明方法基于柔性铰链和杠杆原理建立了一种三级杠杆柔性铰链机构，将要测量的水平微力进行放大，本发明机构结构简单、容易加工制造，且柔性铰链的应用减少了系统中的摩擦环节，提高了测量精度。2、本发明中的三级杠杆柔性铰链机构采用重力平衡的方法，为各级杠杆设置配重，使一级过渡杆的重心调整到一级柔性铰链处，二级过渡杆的重心调整到三级柔性铰链处，一级杠杆和具有配重结构的一级过渡杆共同的重心调整到一级支点处，二级杠杆和具有配重结构的二级过渡杆共同的重心调整到二级支点处，三级杠杆的重心调整到三级支点处，消除了重心变化对各杆件造成的影响且抗干扰因素更强，使微力测量的结果更加精确。3、本发明采用对称机构，消除了温度造成的杠杆变形的影响，利于测量精度的提尚ο4、本发明一级支点、二级支点和三级支点处的柔性铰链均采用与重力方向成一致的设置，消除了重力对柔性铰链造成的弯曲变形和弯曲应力，否则，重力产生的弯矩会导致柔性铰链的破坏。
5、本发明中三级支点为可沿纵向轨道上下移动的支点，能保证在最终实现力测量时，一级杠杆、二级杠杆、一级过渡杆及二级过渡杆在初始位置保持不动，使柔性铰链处的变形最�。⒓跎倭巳嵝越铝瓷系挠Ρ淠芰克鸷模岣吡朔糯蟊妒头糯缶龋故导史糯蟊妒咏砺鄯糯蟊妒谙咝苑段诶┐罅瞬饬康牧砍�。
图1为本发明中水平微力测量装置原理图；图2为本发明中一级过渡杆上配重结构示意图；图中标号1 一级杠杆；2—级支点；3自由端；4一级过渡杆；5—级柔性铰链；6水平杆；7竖直杆；8 二级柔性铰链；9 二级支点；10三级柔性铰链；11 二级过渡杆；12四级柔性铰链；13三级杠杆；14输出端；15传感器；16三级支点；17纵向轨道；18驱动装置；13a 三级过渡杆配重块；Ia —级悬臂；Ib —级杠杆配重块；如连杆；4b —级过渡杆配重块；Ila 二级悬臂；lib 二级过渡杆配重块。
具体实施例方式参见图1、图2，本实施例差动式水平微力测量装置是以竖直设置的一级杠杆1为中心杆，在同一竖直平面内，一对二级杠杆对称分处在一级杠杆1的两侧，并分别通过各自一侧的一级过渡杆4与二级杠杆1联结，一对二级杠杆还分别通过二级过渡杆11与各自一侧的三级杠杆13联结；一级杠杆1为一直杆，直杆的顶端为一级支点2，直杆的底端是作为输入端的自由端3，被测微力Fl加载在直杆的自由端3 ；—级杠杆1的中部通过一级柔性铰链5与对称分处在两侧的一级过渡杆4的内端相连接；二级杠杆是由水平杆6和竖直杆7构成的倒置的“L”型杆，竖直杆7的底端在杆侧部通过二级柔性铰链8连接在一级过渡杆4的外端，二级支点9位于水平杆6的杆端侧部，在二级支点9和竖直杆7之间设置三级柔性铰链10将水平杆6与二级过渡杆11的底端相连接，二级过渡杆11的顶端通过四级柔性铰链12连接在三级杠杆13的外端侧部；三级杠杆13呈水平放置，以在两侧对称设置的一对三级杠杆13的内端为输出端 14，输出端14与力传感器15相接触，三级支点16设置在三级杠杆13的中部。为了在进行微力测量时，使柔性铰链处的变形最�。跎偃嵝越铝瓷系挠Ρ淠芰克鸷模吨У�16 设置在纵向轨道17中，并可以由驱动装置18驱动在纵向轨道17中上下移动，以此保证在最终实现力测量的时候，一级杠杆、二级杠杆、一级过渡杆及二级过渡杆在初始位置保持不动，更进一步提高放大倍数和放大精度，使实际放大倍数接近理论放大倍数，在线性范围内扩大测量量程。为了消除温度的影响，两个二级杠杆、两个三级杠杆、两个一级过渡杆及两个二级过渡杆对称地分布在一级杠杆1的两侧。为了消除重心变化对各杆件造成的影响，配重块的设置可以按以下方式进行在一级过渡杆4的外端固联一对朝向过渡杆内端所在一侧延伸的连杆如，在连杆 4a的杆端固联一级过渡杆配重块4b，使一级过渡杆4的重心调整到一级柔性铰链5所在位置处；在一级杠杆1上，位于一级支点2和一级柔性铰链5之间的位置通过固联的一对一级悬臂Ia设置一级杠杆配重块lb，使一级杠杆1、一级过渡杆4、连杆如及一级过渡杆配重块4b共同的重心调整到一级支点2的位置上；在二级过渡杆11的中部固联一对二级悬臂 11a，在二级悬臂Ila的臂端设置二级过渡杆配重块11b，使二级过渡杆11的重心调整到三级柔性铰链10所在位置处；在二级杠杆的水平杆6的杆端设置二级杠杆配重块6a，使二级杠杆、二级过渡杆、二级悬臂11a、及二级过渡杆配重块lib共同的重心调整到二级支点9所在位置处；在三级杠杆的三级支点16与输出端14之间的位置处设置三级杠杆配重块13a， 使三级杠杆13的重心调整到三级支点16所在位置处。为了消除重心变化对各杆件造成的影响，配重块的设置也可以按以下方式进行 在一级杠杆1上，位于一级支点2和一级柔性铰链5之间的位置通过固联的一对一级悬臂 Ia设置一级杠杆配重块lb，使一级杠杆1的重心调整到一级支点2的位置上；在一级过渡杆4的外端固联一对连杆如，在连杆如的杆端固联一级过渡杆配重块4b，使一级过渡杆的重心调整到二级柔性铰链8所在位置处；在二级过渡杆11的中部固联一对二级悬臂11a， 在二级悬臂Ila的臂端设置二级过渡杆配重块11b，使二级过渡杆11的重心调整到三级柔性铰链10所在位置处；在二级杠杆的水平杆6的杆端处设置二级杠杆配重块6a，使二级杠杆、连杆4a，一级过渡杆配重块4b，一级过渡杆4、二级悬臂11a、二级过渡杆配重块lib和二级过渡杆11共同的重心调整到二级支点9所在位置处；在三级杠杆的三级支点16与输出端14之间的位置处设置三级杠杆配重块13a，使三级杠杆的重心调整到三级支点所在位置处。为了消除重心变化对各杆件造成的影响，配重块的设置还可以按以下方式进行在一级杠杆1上，位于一级支点2和一级柔性铰链5之间的位置通过固联的一对一级悬臂Ia设置一级杠杆配重块lb，使一级杠杆1的重心调整到一级支点2的位置上；在一级过渡杆4的外端固联一对连杆4a，在连杆如的杆端固联一级过渡杆配重块4b，使一级过渡杆的重心调整到二级柔性铰链8所在位置处；在二级杠杆的水平杆的杆端处设置二级杠杆配重块6a，使二级杠杆、连杆4a，一级过渡杆配重块4b，一级过渡杆4共同的重心调整到二级支点9所在位置处；在二级过渡杆的中部固联一对二级悬臂11a，在二级悬臂Ila 的臂端设置二级过渡杆配重块11b，使二级过渡杆的重心调整到四级柔性铰链12所在位置处；在三级杠杆的三级支点16与输出端14之间的位置处设置三级杠杆配重块13a，使三级杠杆、二级悬臂11a、二级过渡杆配重块lib和二级过渡杆11共同的重心调整到三级支点 16所在位置处。具体实施中，也可以去掉各级过渡杆的配重块，但会降低力的测量精度和减小力的测量范围。在一级支点2、二级支点9和三级支点16所在位置处，一级杠杆1、二极杠杆的水平杆6以及三极杠杆13分别通过各支点柔性铰链与基座相连接，为了消除重力对柔性铰链造成的弯曲变形和弯曲应力，避免重力产生的弯矩导致柔性铰链的破坏，一级支点、二级支点及三级支点处的柔性铰链均采用与重力方向成一致的设置。本实施例按以下方式实现水平微力的差动测量定义一级杠杆的输入端所加载的力为0时，一级杠杆、二级杠杆和三级杠杆所在的位置为初始位置；在一级杠杆的输入端加载被测水平方向的微力F1，各杆件产生偏移，其中一对三
7级杠杆绕着各自的三级支点产生相反的倾斜，在一对三级杠杆的输出端产生相反的位移， 根据所测量微力的大小和方向，驱动装置驱动一对三级支点沿纵向轨道作相应的纵向移动，直至一对四级柔性铰链恢复到初始位置，从而使除三级杠杆以外的其它各级杠杆及过渡杠杆也恢复到相应的初始位置，通过一对三级杠杆的输出端产生的相对位移将力传递到力传感器上，实现力的测量。具体实施中也可以不设置驱动装置18，而是直接将三级支点16固定在机座上，这同样会降低力的测量精度，并减小力的测量范围。本发明测量装置可以实现10_2以下的微力的测量。
权利要求
1.一种差动式水平微力测量装置，其特征是以竖直设置的一级杠杆(1)为中心杆，在同一竖直平面内，一对二级杠杆对称分处在一级杠杆(1)的两侧，并分别通过各自一侧的一级过渡杆(4)与一级杠杆(1)联结，所述一对二级杠杆还分别通过二级过渡杆(11)与各自一侧的三级杠杆(13)联结；所述一级杠杆(1)为一直杆，直杆的顶端设置为一级支点O)，直杆的底端是作为输入端的自由端(3)，被测微力Fl加载在直杆的自由端(3)；所述一级杠杆(1)的中部通过一级柔性铰链( 与对称分处在两侧的一级过渡杆的内端相连接；所述二级杠杆是由水平杆(6)和竖直杆(7)构成的倒置的“L”型杆，竖直杆(7)的底端在杆侧部通过二级柔性铰链(8)连接在一级过渡杆(4)的外端，二级支点(9)位于水平杆 (6)的杆端侧部，在二级支点(9)和竖直杆(7)之间设置三级柔性铰链(10)将水平杆(6) 与二级过渡杆(11)的底端相连接，所述二级过渡杆(11)的顶端通过四级柔性铰链(12)连接在三级杠杆(1 的外端侧部；所述三级杠杆(1 呈水平设置，以在两侧对称设置的一对三级杠杆(1 的内端为输出端(14)，所述输出端(14)与力传感器(1 相接触，三级支点(16)设置在三级杠杆(13) 的中部，所述三级支点(16)位于纵向轨道(17)中，并可以由驱动装置(18)驱动在纵向轨道(17)中上下移动；在所述一级过渡杆⑷的外端固联一对朝向过渡杆内端所在一侧延伸的连杆( )，在所述连杆Ga)的杆端固联一级过渡杆配重块(4b)，使一级过渡杆的重心调整到一级柔性铰链(5)所在位置处；在所述一级杠杆⑴上，位于一级支点(2)和一级柔性铰链(5) 之间的位置通过固联的一对一级悬臂(Ia)设置一级杠杆配重块(Ib)，使一级杠杆(1)、一级过渡杆、连杆Ga)及一级过渡杆配重块Gb)共同的重心调整到一级支点O)的位置上；在所述二级过渡杆(11)的中部固联一对二级悬臂(11a)，在二级悬臂(Ila)的臂端设置二级过渡杆配重块(11b)，使二级过渡杆(11)的重心调整到三级柔性铰链(10)所在位置处；在所述二级杠杆的水平杆(6)的杆端设置二级杠杆配重块(6a)，使所述二级杠杆、 二级过渡杆(11)、二级悬臂(Ila)及二级过渡杆配重块(lib)共同的重心调整到二级支点 (9)所在位置处；在所述三级杠杆(1 的三级支点(16)与输出端(14)之间的位置处设置三级杠杆配重块(13a)，使所述三级杠杆(1 的重心调整到三级支点(16)所在位置处。
2.根据权利要求1所述差动式水平微力测量装置，其特征是在所述一级支点H 支点(9)和三级支点(16)所在位置处，一级杠杆(1)、二极杠杆的水平杆(6)以及三极杠杆(1 分别通过各支点柔性铰链与基座相连接，所述各支点柔性铰链均悬置在基架上，与重力方向成一致。
3.—种权利要求1所述的差动式水平微力测量装置的测量方法，其特征是按以下方式实现差动测量定义一级杠杆的输入端所加载的力为0时，一级杠杆、二级杠杆和三级杠杆所在的位置为初始位置；在所述一级杠杆的输入端加载被测水平方向的微力F1，各杆件产生偏移，其中一对三级杠杆绕着各自的三级支点产生相反的倾斜，在一对三级杠杆的输出端产生相反的位移， 根据所测量微力的大小和方向，驱动装置驱动所述一对三级支点沿纵向轨道作相应的纵向移动，直至一对四级柔性铰链恢复到初始位置，从而使除三级杠杆以外的其它各级杠杆及过渡杠杆也恢复到相应的初始位置，而一对三级杠杆的输出端的相对位移进一步加大，通过一对三级杠杆的输出端产生的相对位移将力传递到力传感器上，实现力的测量。
全文摘要
本发明公开了一种差动式水平微力测量装置及测量方法，其特征是以竖直设置的一级杠杆为中心杆，在同一竖直平面内，一对二级杠杆对称分处在一级杠杆的两侧，并分别通过各自一侧的一级过渡杆与一级杠杆联结，一对二级杠杆还分别通过二级过渡杆与各自一侧的三级杠杆联结。本发明用来为微小力值的测力系统提供支持。
文档编号G01L25/00GK102359843SQ20111021246
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者刘焕进, 姜礼杰, 尹鹏飞, 杨科, 滑志龙, 王勇 申请人:合肥工业大学
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