CN102305687A - 差动式垂直微力加载装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动式垂直微力加载装置及加载方法，其特征是在水平放置的二级杠杆的中部设置二级支点，以所述二级支点为中心，在同一竖直平面内，一对一级杠杆对称分处在二级支点的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆与二级杠杆相联结。本发明可以用来对微力传感器、微机电系统以及各种微力检测器进行标定，并为微小力值的测力系统提供支持。

Description

差动式垂直微力加载装置及加载方法

技术领域

本发明涉及应用在测量技术领域中的微力加载装置。

背景技术

随着现代科学技术的蓬勃发展，需要微小力值的场合越来越多，例如微机电系统中微尺度下构件的力学特性研究、微观摩擦现象测量、微传感微机器人装配中微力检测等，因此，微力传感器的研究、制作、生产也就随之开展而来。但是相对其研究制作，微力传感器本身的性能测量发展显得相对滞后。目前常规使用的滑轮砝码方法无法进行微力加载力；已有洛伦兹力和静电力标定方法，因受影响的因素较多带来不稳定性；近年来利用压电元件产生微力的应用越来越多，但这种方法成本高、操作复杂，且产生的力范围较小。

柔性铰链机构已在精密测量、标定等领域得到广泛应用，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，迄今未见有关为消除重力和温度两方面因素影响的相关结构设计，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，因为，重力以及温度产生的影响可能远远大于微力加载的最大量程，对微力加载产生致命的影响。

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精度力值的要求、并且低成本的差动式垂直微力加载装置及加载方法，用来对微力传感器、微机电系统以及各种微力检测器进行标定，并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加载装置的结构特点是在水平放置的二级杠杆的中部设置二级支点，以所述二级支点为中心，在同一竖直平面内，一对一级杠杆对称分处在二级支点的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆与二级杠杆相联结；

所述一级杠杆呈水平放置，加载砝码设置在作为输入端的一级杠杆的杆外端，一级支点位于一级杠杆的中部，一级杠杆的杆内端在杆侧部通过一级柔性铰链连接在过渡杆的顶端，所述过渡杆的底端通过二级柔性铰链与二级杠杆的杆端侧部相连接；所述二级杠杆的一端沿水平方向延伸，并经延伸段形成自由端，在所述二级杠杆的自由端设置探针，以所述探针与设置在微动平台上的力传感器相接触；

在所述过渡杆的中部通过固联的悬臂设置过渡杆配重块，使过渡杆的重心调整到二级柔性铰链所在位置处；在所述一级杠杆的杆外端处设置一级杠杆配重块，使所述一级杠杆的重心调整到一级支点的位置处；在所述二级杠杆的非自由端设置二级杠杆配重块，使二级杠杆及其延伸段、过渡杆、悬臂及过渡杆配重块共同的重心调整到二级支点的位置处。

本发明差动式垂直微力加载装置的结构特点也在于在所述一级支点和二级支点位置处，一级杠杆和二级杠杆分别通过各支点柔性铰链悬置在基座上，所述各支点柔性铰链与重力方向成一致。

本发明差动式垂直微力加载装置的加载方法的特点是按以下方式实现差动加载：

方式一、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上；设置力传感器在初始位置保持不动，改变两输入端加载砝码的质量差值，在所述力传感器上获得不同的大小的加载力；

方式二、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上，然后改变两输入端加载砝码的质量差值，使探针出现偏移，由力传感器将探针从偏移的位置逐步推移到初始位置，力传感器距离初始位置越近，探针对力传感器的作用力越大，最终由两输入端加载砝码的质量差值和力传感器的位移决定加载力的大小。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明基于柔性铰链和杠杆原理建立了一种二级杠杆力缩小机构，用于产生微小作用力，利用砝码加载力，简单可靠、操作方便，能在一定范围内进行动态加载，可广泛应用在多种场合；

2、本发明柔性铰链的应用减少了标定系统中的摩擦环节，提高了标定精度。

3、本发明通过设置各配重块，首先使过渡杆的重心调整到二级柔性铰链位置处，然后使二级杠杆及带有配重结构的过渡杆共同的重心调整在二级支点位置处；最后使一级杠杆的重心调整在一级支点位置上，消除了重心变化对各杆件造成的影响，使产生的微力更加稳定，抗干扰因素强；

4、本发明采用对称机构，消除了温度的影响，提高了力加载精度。

5、本发明一级支点和二级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。

附图说明

图1为本发明中垂直微力加载装置原理图；

图中标号：1二级杠杆；2二级支点；3一级杠杆；4加载砝码；5一级支点；6一级柔性铰链；7过渡杆；8二级柔性铰链；9探针；10微动平台；11力传感器；12一级杠杆配重块；13二级杠杆配重块；14二级杠杆延伸部分；7a悬臂；7b过渡杠杆配重块。

具体实施方式

参见图1，本实施例差动式垂直微力加载装置包括有：一对一级杠杆3、一个二级杠杆1、一对过渡杆7以及一对一级杠杆配重块12、一对悬臂7a、一对过渡杆配重块7b和一个二级杠杆配重块13；本实施例中，在呈水平放置的二级杠杆1的中部设置二级支点2，以二级支点2为中心，在同一竖直平面内，一对一级杠杆3对称分处在二级支点2的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆7与二级杠杆1相联结；

一级杠杆3呈水平放置，加载砝码4设置在作为输入端的一级杠杆的杆外端，一级支点5位于一级杠杆3的中部，一级杠杆3的杆内端在杆侧部通过一级柔性铰链6连接在过渡杆7的顶端，过渡杆7的底端通过二级柔性铰链8与二级杠杆1的杆端侧部相连接；二级杠杆1的一端沿水平方向延伸，并经延伸段14形成自由端，在二级杠杆1的自由端设置探针9，以探针9与设置在微动平台10上的力传感器11相接触，由微动平台10带动力传感器11在竖直方向移动。

为了减小或消除重心变化对各杆件造成的影响，分别在各杆件的相应位置上设置配重块：首先在过渡杆7的中部通过固联的悬臂7a设置过渡杆配重块7b，使过渡杆7的重心调整到二级柔性铰链8所在位置处；然后在二级杠杆1的非自由端处设置二级杠杆配重块13，使二级杠杆1及其延伸段17、过渡杆7、悬臂7a及过渡杆配重块7b共同的的重心调整到二级支点2的位置上；在一级杠杆3的杆外端处设置一级杠杆配重块12，使一级杠杆3的重心调整到一级支点5所在位置处；

为了减小或消除重心变化对各杆件造成的影响，配重块的设置也可以是：

首先在过渡杆7的中部通过固联的悬臂7a设置过渡杆配重块7b，使过渡杆7的重心调整到一级柔性铰链6所在位置处；然后在一级杠杆3的杆外端处设置一级杠杆配重块12，使一级杠杆3、过渡杆7、悬臂7a及过渡杆配重块7b共同的重心调整到一级支点5的位置处；最后在二级杠杆1的非自由端处设置二级杠杆配重块13，使二级杠杆1及其延伸段14的重心调整到二级支点2的位置上。

具体实施中，可以去掉过渡杆配重块7b，但会降低测量精度以及减小力的测量范围。

在一级支点5和二级支点2位置处，一级杠杆3和二级杠杆1分别是通过各支点柔性铰链悬置在基座上，为了消除重力对各支点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支点柔性铰链的破坏，一级支点和二级点处的支点柔性铰链均采用与重力方向成一致的设置。

整个装置由砝码产生微力，微力远小于砝码的质量，且一级柔性铰链6到一级支点5的距离与一级杠杆3的输入端到一级支点5的距离的比值越大，探针9到二级支点2的距离与二级柔性铰链8到二级支点2的距离的比值越大，则就能够产生越小的微力。

本实施例中差动式垂直微力加载装置按以下方式实现差动加载：

方式一、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上；设置力传感器在初始位置保持不动，改变两输入端加载砝码的质量差值，使其中一个输入端的加载力为F1a，另一个输入端的加载力为F1b，则所加载的力差值F1＝F1a-F1b，该力差值通过柔性铰链机构进行缩小后，通过探针加载到力传感器11上，从而获得不同大小的微力；

方式二、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上，然后改变两输入端加载砝码的质量差值，使探针出现偏移，由力传感器将探针从偏移的位置逐步推移到初始位置，力传感器距离初始位置越近，探针对力传感器的作用力越大，最终由两输入端加载砝码的质量差值和力传感器的位移决定加载力的大小，可以在探针处设置一非接触式位移传感器，通过理论分析、数值计算和实验标定，建立在不同两输入端加载砝码的质量差值下探针偏置位移和加载力间的关系。

本发明测量装置可以实现10^-2以下的微力加载。

Claims (3)

1.一种差动式垂直微力加载装置，其特征是在水平放置的二级杠杆(1)的中部设置二级支点(2)，以所述二级支点(2)为中心，在同一竖直平面内，一对一级杠杆(3)对称分处在二级支点(2)的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆(7)与二级杠杆(1)相联结；

所述一级杠杆(3)呈水平放置，加载砝码(4)设置在作为输入端的一级杠杆的杆外端，一级支点(5)位于一级杠杆(3)的中部，一级杠杆(3)的杆内端在杆侧部通过一级柔性铰链(6)连接在过渡杆(7)的顶端，所述过渡杆(7)的底端通过二级柔性铰链(8)与二级杠杆(1)的杆端侧部相连接；所述二级杠杆(1)的一端沿水平方向延伸，并经延伸段(14)形成自由端，在所述二级杠杆(1)的自由端设置探针(9)，以所述探针(9)与设置在微动平台(10)上的力传感器(11)相接触；

在所述过渡杆(7)的中部通过固联的悬臂(7a)设置过渡杆配重块(7b)，使过渡杆(7)的重心调整到二级柔性铰链(8)所在位置处；在所述一级杠杆(3)的杆外端设置一级杠杆配重块(12)，使所述一级杠杆(3)的重心调整到一级支点(5)的位置处；在所述二级杠杆(1)的非自由端设置二级杠杆配重块(13)，使二级杠杆(1)及其延伸段(14)、过渡杆(7)、悬臂(7a)及过渡杆配重块(7b)共同的重心调整到二级支点(2)的位置处。

2.根据权利要求1所述的差动式垂直微力加载装置，其特征是在所述一级支点(5)和二级支点(2)位置处，一级杠杆(3)和二级杠杆(1)分别通过各支点柔性铰链悬置在基座上，所述各支点柔性铰链与重力方向成一致。

3.一种权利要求1所述的差动式垂直微力加载装置的加载方法，其特征是按以下方式实现差动加载：

方式一、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上；设置力传感器在初始位置保持不动，改变两输入端加载砝码的质量差值，在所述力传感器上获得不同的大小的加载力；

方式二、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上，然后改变两输入端加载砝码的质量差值，使探针出现偏移，由力传感器将探针从偏移的位置逐步推移到初始位置，力传感器距离初始位置越近，探针对力传感器的作用力越大，最终由两输入端加载砝码的质量差值和力传感器的位移决定加载力的大小。

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