专利名称：差动式垂直微力测量装置的测量方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别涉及ー种微力測量装置的測量方法。
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，需要微小カ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、纳牛级超小カ值可溯源的測量方法还没有建立起来，因此研制ー种使用方便、价格低廉的微 力值计量测试仪器以测量各种场合微小カ就显得尤为重要。目前微力測量主要有压阻式、电容式、压电式等，压阻式测カ是利用压阻材料的压阻效应制备的一种カ测量装置，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，压电微悬臂梁式测カ成本低，但操作不便且量程较小。目前柔性铰链机构在精密測量、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測量及标定精度的影响，还没有很好的解决方法，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不足之处，提供一种可满足一定測量精度的要求、并且低成本的差动式垂直微力測量装置的測量方法，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垂直微力測量装置的測量方法，其特点是设置所述差动式垂直微力測量装置为在水平放置的一级杠杆的中部设置ー级支点，以所述ー级支点为中心，在同一竖直平面内，一对ニ级杠杆对称分处在ー级支点的两侦牝并在各自一侧通过一级过渡杆与ー级杠杆联结，所述ー对ニ级杠杆还分别通过ニ级过渡杆与各自一侧的三级杠杆相联结，其中所述ー级杠杆的一端沿水平方向经延伸段形成为自由端，以所述自由端为被测量微力Fl的输入端，所述ー级杠杆的非自由端在杆侧部通过ー级柔性铰链连接在一级过渡杆的底端；所述ー级过渡杆的顶端通过ニ级柔性铰链连接在ニ级杠杆的杆内端侧部；所述ニ级杠杆呈水平放置，ニ级支点位于ニ级杠杆的杆外端侧部，在所述ニ级支点和ニ级杠杆的杆内端之间设置三级柔性铰链将ニ级杠杆连接在ニ级过渡杆的底端；所述ニ级过渡杆的顶端通过四级柔性铰链连接在三级杠杆的杆外端侧部；
所述三级杠杆呈水平放置，三级杠杆杆内端为输出端，所述输出端与力传感器接触，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； 在所述ー级过渡杆的中部通过固联的ー级悬臂设置ー级过渡杆配重块，使ー级过渡杆的重心调整到ー级柔性铰链所在位置处；在所述ー级杠杆的非自由端设置ー级杠杆配重块，使一级杠杆及其延伸段、ー级过渡杆、一级悬臂及ー级过渡杆配重块共同的重心调整到ー级支点的位置上；在所述ニ级过渡杆的中部通过固联的ニ级悬臂设置ニ级过渡杆配重块，使ニ级过渡杆的重心调整到三级柔性铰链所在位置处；在所述ニ级杠杆的杆外端处设置ニ级杠杆配重块，使所述ニ级杠杆、ニ级过渡杆、ニ级悬臂及ニ级过渡杆配重块共同的重心调整到ニ级支点的位置处；在所述三级杠杆的三级支点与输出端之间的位置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。所述差动式垂直微力測量装置的測量方法是按以下方式实现差动测量定义ー级杠杆的输入端所加载的カ为O时，各杠杆所在的位置为初始位置；在所述ー级杠杆的输入端加载需要测量的垂直方向的微力Fl,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傾斜，在ー对三级杠杆的输出端产生相反的位移，根据被测量的微力Fl的大小和方向，以驱动装置驱动所述ー对三级支点沿纵向轨道作出相应的上下移动，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，而ー对三级杠杆的输出端的相对位移进ー步加大，通过ー对输出端产生的相对位移，将カ传递到カ传感器上，实现カ的测量。本发明差动式垂直微力測量装置的測量方法的特点也在于在差动式垂直微力測量装置中，在所述ー级支点、ニ级支点和三级支点所在位置处，一级杠杆、ニ极杠杆和三级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。与已有技术相比，本发明有益效果体现在I、本发明方法基于柔性铰链和杠杆原理建立了ー种三级杠杆柔性铰链机构,可将要测量的垂直微力进行放大，其结构简单、容易加工制造，且柔性铰链的应用減少了系统中的摩擦环节，提高了測量精度。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，使ー级过渡杆的重心调整到ー级柔性铰链处，ニ级过渡杆的重心调整到三级柔性铰链处，一级杠杆和带有配重结构的ー级过渡杆共同的重心调整到ー级支点处，ニ级杠杆和带有配重结构的ニ级过渡杆共同的重心调整到ニ级支点处，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，利于测量精度的提闻。4、本发明ー级支点、ニ级支点和三级支点处的支点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设置的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、ニ级杠杆、ー级过渡杆及ニ级过渡杆在初始位置保持不动，使柔性铰链处的变形最小，并减少了柔性铰链上的应变能量损耗，提高了放大倍数和放大精度，使实际放大倍数接近理论放大倍数，在线性范围内扩大了测量的量程。
图I为本发明中差动式垂直微力測量装置结构图；图2为本发明实施例中天平式垂直微力測量装置原理图；图中标号I 一级杠杆；2 —级支点；3 ニ级杠杆；4三级杠杆；5 —级过渡杆；6 ニ级过渡杆输入端；8 —级柔性铰链；9 ニ级柔性铰链；10 ニ 级支点；11三级柔性铰链；12四级柔性铰链；13输出端；14传感器；15三级支点；16軌道；17驱动装置；18 ニ级杠杆延伸部分；la —级杠杆配重块；3a ニ级杠杆配重块；4a三级杠杆配重块；5a —级悬臂；5b —级过渡杆配重块；6a ニ级悬臂；6b ニ级过渡杆配重块。
具体实施例方式參见图1，本实施例是在水平放置的一级杠杆I的中部设置ー级支点2，以ー级支点2为中心,在同一竖直平面内，ー对ニ级杠杆3对称分处在ー级支点2的两侧，并在各自ー侧通过ー级过渡杆5与一级杠杆I联结，ー对ニ级杠杆3还分别通过ニ级过渡杆6与各自ー侧的三级杠杆4相联结，其中图I所示，一级杠杆I的一端沿水平方向经延伸段18形成自由端7，以自由端7为被測量微力Fl的输入端，一级杠杆I的非自由端在杆侧部通过ー级柔性铰链8连接在ー级过渡杆5的底端；ー级过渡杆5的顶端通过ニ级柔性铰链9连接在ニ级杠杆3的杆内端侧部;ニ级杠杆3呈水平放置，ニ级支点10位于ニ级杠杆的杆外端侧部，在ニ级支点10和ニ级杠杆3的杆内端之间设置三级柔性铰链11将ニ级杠杆3连接在ニ级过渡杆6的底端；ニ级过渡杆6的顶端通过四级柔性铰链12连接在三级杠杆4的杆外端侧部；三级杠杆4呈水平放置，三级杠杆的内端为输出端13，输出端13与力传感器14接触，三级支点15设置在三级杠杆4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�15可设置在纵向轨道16中，并可以由驱动装置17驱动在纵向轨道16中上下移动，这样能保证在最终实现カ测量的时候，一级杠杆、ニ级杠杆、ー级过渡杆及ニ级过渡杆在初始位置保持不动，提高了放大倍数和放大精度，使实际放大倍数接近理论放大倍数，在线性范围内扩大了测量的量程。为了消除温度的影响，两个ニ级杠杆、两个三级杠杆、两个一级过渡杆及两个ニ级过渡杆对称地分布在ー级支点2的两侧。为了消除重心变化对各杆件造成的影响，可以在相应位置上分别设置配重块，包括在ー级过渡杆的中部通过固联的一级悬臂5a设置ー级过渡杆配重块5b，使一级过渡杆的重心调整到ー级柔性铰链所在位置处；在一级杠杆I的非自由端设置ー级杠杆配重块la，使一级杠杆I及其延伸段18、ー级过渡杆、一级悬臂及一级过渡配重块共同的重心调整到ー级支点位置上；在ニ级过渡杆6的中部通过固联的ニ级悬臂6a设置ニ级过渡杆配重块6b，使ニ级过渡杆6的重心调整到三级柔性铰链11所在位置处；在ニ级杠杆的杆外端设置ニ级杠杆配重块3a，使ニ级杠杆3、ニ级过渡杆6、ニ级悬臂6a及ニ级过渡杆配重块6b共同的重心调整到ニ级支点11所在位置处；在三级杠杆4的三级支点15与输出端13之间的位置设置三级杠杆配重块4a，使三级杠杆4的重心调整到三级支点15所在位置处；为了消除重心变化对各杆件造成的影响，配重块也可以设置为在ー级过渡杆5的中部通过固联的一级悬臂5a设置ー级过渡杆配重块5b，使ー级过渡杆5的重心调整到ニ级柔性铰链9所在位置处；在ニ级过渡杆6的中部通过固联的ニ级悬臂6a设置ニ级过渡杆配重块6b，使ニ级过渡杆6的重心调整到三级柔性铰链11所在位置处；在ニ级杠杆3的杆外端处设置ニ级杠杆配重块3a，使ニ级杠杆3、ー级过渡杆5、一级悬臂5a、ー级过渡杆配重块5b、ニ级过渡杆6、ニ级悬臂6a及ニ级过渡杆配重块6b共同的重心调整到ニ级支点11的位置处；在一级杠杆I的非自由端处设置一级杠杆配重块la， 使一级杠杆I及其延伸段18的重心调整到ー级支点2的位置上；在三级杠杆4的三级支点15与输出端13之间的位置设置三级杠杆配重块4a，使三级杠杆4的重心调整到三级支点15所在位置处；为了消除重心变化对各杆件造成的影响，配重块还可以设置为在ー级过渡杆5的中部通过固联的一级悬臂5a设置ー级过渡杆配重块5b，使ー级过渡杆5的重心调整到ニ级柔性铰链9所在位置处；在ニ级杠杆3的杆外端处设置ニ级杠杆配重块3a，使ニ级杠杆3、ー级过渡杆5、一级悬臂5a及ー级过渡杆配重块5b共同的重心调整到ニ级支点11的位置处；在ニ级过渡杆6的中部通过固联的ニ级悬臂6a设置ニ级过渡杆配重块6b，使ニ级过渡杆6的重心调整到四级柔性铰链12所在位置处；在三级杠杆4的三级支点15与输出端13之间的位置设置三级杠杆配重块4a，使三级杠杆4、ニ级过渡杆6、ニ级悬臂6a及ニ级过渡杆配重块6b共同的重心调整到三级支点11所在位置处；在ー级杠杆I的非自由端处设置一级杠杆配重块la，使一级杠杆I及其延伸段18的重心调整到一级支点2的位置上；具体实施中，可以去掉各级过渡杆的配重块，但会降低力的測量精度并缩小力的測量范围。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，具体实施中在ー级支点2、ニ级支点11和三级支点15所在位置处，ー级杠杆I、ニ极杠杆3和三级杠杆4分别通过各支点柔性铰链与基座相连接，各支点柔性铰链均悬置在基架上，与重力方向成一致。本实施例中差动式垂直微力測量装置的測量方法是按以下方式实现差动测量定义ー级杠杆的输入端所加载的カ为O时，各杠杆所在的位置为初始位置；在一级杠杆的输入端加载需要测量的垂直方向的微力Fl,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，在ー对三级杠杆的输出端产生相反的位移，根据被测量的微力Fl的大小和方向，以驱动装置驱动ー对三级支点沿轨道作出相应的上下移动，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,而ー对三级杠杆的输出端的相对位移进ー步加大，通过ー对输出端产生的相对位移，将カ传递到カ传感器上，实现カ的測量。具体实施中也可以不用驱动装置17，而直接将三级支点15固定在机座上，这样会降低力的測量精度，并减小力的測量范围。
本发明测量装置可以实现10_2以下的微力測量。本发明装置也可以按如图2所示作为天平进行使用，将图I中所示的一级杠杆的非自由端设置为如同自由端相同的形式，在输入端加载要测量的物体的重力F，在另一端加 载标准砝码G，输出端测量的微力为F1，根据微力Fl的方向和大�。梢郧蟪鏊饬康牧ξ狥=F1+G或F=Fl-G,从而进ー步求出物体的质量。
权利要求
1.一种差动式垂直微力测量装置的测量方法，其特征是 设置差动式垂直微力测量装置为在水平放置的一级杠杆(I)的中部设置一级支点(2),以所述一级支点(2)为中心,在同一竖直平面内，一对二级杠杆(3)对称分处在一级支点(2)的两侧，并在各自一侧通过一级过渡杆(5)与一级杠杆(I)联结，所述一对二级杠杆(3)还分别通过二级过渡杆￠)与各自一侧的三级杠杆(4)相联结； 所述一级杠杆(I)的一端沿水平方向经延伸段(18)形成为自由端(7)，以所述自由端(7)为被测量微力Fl的输入端，所述一级杠杆(I)的非自由端在杆侧部通过一级柔性铰链(8)连接在一级过渡杆(5)的底端；所述一级过渡杆(5)的顶端通过二级柔性铰链(9)连接在二级杠杆(3)的杆内端侧部； 所述二级杠杆(3)呈水平放置，二级支点(10)位于二级杠杆(3)的杆外端侧部，在所述二级支点(10)和二级杠杆(3)的杆内端之间设置三级柔性铰链(11)将二级杠杆(3)连接在二级过渡杆￠)的底端；所述二级过渡杆￠)的顶端通过四级柔性铰链(12)连接在三级杠杆(4)的杆外端侧部； 所述三级杠杆(4)呈水平放置，三级杠杆(4)的杆内端为输出端(13)，所述输出端(13)与力传感器(14)接触，三级支点(15)设置在三级杠杆(4)的中部，所述三级支点(15)位于纵向轨道(16)中，并可以由驱动装置(17)驱动在纵向轨道(16)中上下移动； 在所述一级过渡杆(5)的中部通过固联的一级悬臂(5a)设置一级过渡杆配重块(5b)，使一级过渡杆(5)的重心调整到一级柔性铰链(8)所在位置处；在所述一级杠杆(I)的非自由端设置一级杠杆配重块(la)，使一级杠杆(I)及其延伸段(18)、一级过渡杆(5)、一级悬臂(5a)及一级过渡杆配重块(Ib)共同的重心调整到一级支点(2)的位置上；在所述二级过渡杆￠)的中部通过固联的二级悬臂(6a)设置二级过渡杆配重块(6b)，使二级过渡杆(6)的重心调整到三级柔性铰链(11)所在位置处；在所述二级杠杆(3)的杆外端处设置二级杠杆配重块(3a)，使所述二级杠杆(3)、二级过渡杆￠)、二级悬臂^a)及二级过渡杆配重块^b)共同的重心调整到二级支点(10)的位置处；在所述三级杠杆(4)的三级支点(15)与输出端(13)之间的位置设置三级杠杆配重块(4a)，使所述三级杠杆⑷的重心调整到三级支点(15)所在位置处； 所述差动式垂直微力测量装置的测量方法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，各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需要测量的垂直方向的微力Fl,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，根据被测量的微力Fl的大小和方向，以驱动装置驱动所述一对三级支点沿纵向轨道作出相应的上下移动，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。
2.根据权利要求I所述的差动式垂直微力测量装置的测量方法，其特征是在所述差动式垂直微力测量装置中，所述一级支点(2)、二级支点(11)和三级支点(15)所在位置处，一级杠杆(I)、二极杠杆(3)和三级杠杆(4)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。
全文摘要
本发明公开了一种差动式垂直微力测量装置的测量方法，其特征是所述差动式垂直微力测量装置设置为在水平放置的一级杠杆的中部设置一级支点，以一级支点为中心，在同一竖直平面内，一对二级杠杆对称分处在一级支点的两侧，并在各自一侧通过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相联结，本发明可以为微小力值的测力系统提供支持。
文档编号G01L1/00GK102818661SQ20121031945
公开日2012年12月12日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者王勇, 刘焕进, 杨科, 滑志龙, 尹鹏飞, 姜礼杰 申请人:合肥工业大学
专业数控铣床产品供应商
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