CN103389174A - 微力测量装置 - Google Patents

Abstract

微力测量装置属于微小力值标定与计量测试技术领域，目的在于解决现有技术存在的结构复杂、力的作用线不易固定和成本高昂的问题。本发明的微力测量装置包括不等臂天平、力值复现装置、微位移测量装置、计算机控制系统；不等臂天平的长臂端部设置有托盘，短臂端部设置有边刀结构，边刀结构通过力值复现装置与微位移测量装置连接；微位移测量装置的输出端通过连接套与绝缘杆连接，绝缘杆与力值复现装置的内电极上端盖的螺纹孔连接。本发明采用力值复现装置复现微小力值，并改进数显千分尺用来测量内电极的相对微小位移，把力值变化变成电学量相对于位移量的精密电容梯度变化，通过杠杆结构与标准砝码自重力构成平衡，结构简单、成本较低。

Description

微力测量装置

技术领域

本发明属于微小力值标定与计量测试技术领域，具体涉及一种微力测量装置。

背景技术

力值是力学计量领域的基础量值之一，力值测量广泛的应用于国民生活的各个领域。近年来，随着微纳米机电系统和微纳米计量的不断发展，在科研和日常生活中进行了大量微小力值的测量，如口腔医学中的牙齿正畸、纳米硬度、MEMS中的力学研究等。所有的测量器具都必须通过计量检定或校准，以保证其测量数据的准确可靠，力值测量器具也不例外。但我国现有的力值量传系统（JJG2045-1990《力值（≤1MN）计量检定系统》）对于10N以下的力值尚未建立量传系统。对于微小力值测量器具的检定与校准，除了溯源至质量砝码外尚无其他方法。由于目前最小的标准砝码为1mg（10^-5N），因此研制一种使用方便的可溯源的微力测量装置以提供10^-5N以下的基本力值标准是十分有意义的。力值可以通过物理方法复现并且利用国际单位制中的基本物理量导出。受限于最小标准砝码的制造，采用物理复现方法比较困难，力值的电学复现方法可以采用静电力且度量方法较容易实行。

公开号为CN101319980的中国专利公开了一项发明名称为微牛/纳牛及超微力值测量装置及力值溯源方法的技术方案，该装置包括杠杆，杠杆的一端为承载盘，另一端悬挂有弹簧，弹簧的另一端固定有内电极，所述内电极的上部设置有限制其沿z轴以外的运动自由度的机构，下部为圆筒形，在所述内电极下部外面套有外电极，所述外电极与所述内电极的下部圆筒形的外径，在所述外电极的另一端设置有用于测量内电极位移量的激光干涉仪，并采用隧道电流法确定平衡位置，该装置采用激光测位移和扫描隧道仪，重视精度和定位，导致结构复杂、成本高昂；杠杆结构过于简单导致力的作用线不易固定。

发明内容

本发明的目的在于提出一种微力测量装置，解决现有技术存在的结构复杂、力的作用线不易固定和成本高昂的问题。

为实现上述目的，本发明的微力测量装置包括不等臂天平、力值复现装置、微位移测量装置、计算机控制系统；

所述不等臂天平的长臂端部设置有托盘，短臂端部设置有边刀结构，所述边刀结构通过力值复现装置与微位移测量装置连接；

所述力值复现装置包括内电极、外电极、绝缘套、橡胶垫圈、直线轴承、钢套和轴承座；所述内电极上端通过边刀结构的反向连接片与所述边刀结构的边刀刀承连接，所述内电极上端盖下表面设置有螺纹孔，所述外电极为与内电极同轴的圆筒形，所述外电极外表面套有所述绝缘套，所述绝缘套上表面开有引出电线的两个通孔，所述外电极下端面设置有橡胶垫圈，所述绝缘套外表面套有钢套，所述钢套下端与所述轴承座固定连接，所述轴承座内部套有直线轴承；

所述微位移测量装置的数显千分尺的输出端通过连接套与所述绝缘杆连接，所述绝缘杆与所述力值复现装置的内电极上端盖的螺纹孔连接，所述轴承座通过支柱与所述不等臂天平的底座连接，计算机控制系统实现对信号的采集、控制和处理。

所述装置还包括测量电路，所述力值复现装置的内电极和外电极接入所述测量电路。

所述不等臂天平还包括天平横梁、天平调平机构、指针、立柱、立柱平台、底座、天平限位、宝石刀口、宝石刀承、调整支架和水准泡；所述宝石刀口套在所述天平横梁上，所述宝石刀承固定在所述立柱平台上，二者构成配合，所述立柱平台通过立柱与所述底座固定连接，所述底座下方设置有四个调整支架，所述立柱上设置有水平的辅助杆，所述辅助杆上设置有水准泡和指示牌，所述指示牌和与宝石刀口连接的指针配合调平，所述宝石刀口位于所述两个天平限位中间二分之一处；所述天平调平机构包括调平螺母、螺杆和螺杆固定端，所述螺杆通过两端的螺杆固定端固定在所述天平横梁上，靠近短臂一端较长，通过移动螺杆上的调平螺母调节天平的平衡。

所述托盘为顶针支承、两根细铁针和圆盘构成的整体，所述圆盘和所述顶针支承之间通过细铁针点焊连接起来，顶针和顶针支承构成配合，顶针的磨光柱形导杆按滑合插入天平横梁来实现固定。

所述边刀结构包括边刀刀承、边刀刀口、边刀调平螺钉、边刀盒、反向连接片、回转关轴节和边刀杆；所述边刀刀口镶嵌在所述边刀盒上，所述边刀盒套在所述天平横梁短臂端部并可以相对移动，所述边刀刀口与所述边刀刀承接触配合所述边刀刀承两端连接有反向连接片，所述两个反向连接片通过回转关轴节与边刀杆连接，所述边刀调平螺钉包括三个长螺钉和六个短螺钉，所述三个长螺钉分别旋在前表面、后表面和下表面的对称线上，并顶在所述天平横梁上，所述六个短螺钉分别位于三个长螺钉在边刀盒相应表面上的对称线的两侧并对称分布。

所述天平横梁截面为矩形，所述内电极和所述外电极由铝材料制成。

所述不等臂天平的杠杆比K的取值为：K＞1。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明的微力测量装置采用力值复现装置复现微小力值，并改进数显千分尺用来测量内电极的相对微小位移，把力值变化变成电学量相对于位移量的精密电容梯度变化，通过杠杆结构与标准砝码自重力构成平衡，实现微牛级微小力值的测量和溯源，产生力值比较小，结构简单、成本较低，操作方便，控制简单，力的作用线容易固定。

附图说明

图1为本发明微力测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明的力值复现装置结构示意图；

图3为本发明的边刀结构示意图；

图4为本发明的顶针支撑结构示意图；

图5为本发明的数显千分尺与力值复现装置去除轴承座的连接结构示意图。

其中：1、托盘，2、天平横梁，3、螺杆固定端，4、螺杆，5、调平螺母，6、边刀刀承，7、内电极，8、绝缘套，9、钢套，10、轴承座，11、连接套，12、绝缘杆，13、数显千分尺，14、支柱，15、底座，16、立柱，17、指示牌，18、指针，19、立柱平台，20、宝石刀口，21、天平限位，22、宝石刀承，23、水准泡，24、辅助杆，25、调整支架，26、外电极，27、橡胶垫圈，28、直线轴承，29、边刀刀口，30、边刀调平螺钉，31、边刀盒，32、反向连接片，33、回转关轴节，34、边刀杆，35、顶针。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见附图1、附图2、附图3、附图4和附图5，本发明的微力测量装置包括不等臂天平、力值复现装置、微位移测量装置、测量电路及计算机控制处理系统；所述不等臂天平的长臂端部设置有托盘1，短臂端部设置有边刀结构，所述边刀结构通过力值复现装置与微位移测量装置连接；所述力值复现装置包括内电极7、外电极26、绝缘套8、橡胶垫圈27、直线轴承28、钢套9和轴承座10；所述内电极7上端通过边刀结构的反向连接片32与所述边刀结构的边刀刀承6连接，所述内电极7上端盖下表面设置有螺纹孔，所述外电极26为与内电极7同轴的圆筒形，材料均为铝，所述外电极26外表面套有所述绝缘套8，所述绝缘套8上表面开有引出电线的两个通孔，所述外电极26下端面设置有橡胶垫圈27，起绝缘作用，所述绝缘套8外表面套有钢套9，所述轴承座10内部套有直线轴承28，轴承座10通过3个支柱16与底座15连接。所述微位移测量装置的数显千分尺13的输出端通过连接套11与所述绝缘杆12连接，所述绝缘杆12与所述力值复现装置的内电极7上端盖的螺纹孔连接，所述轴承座10通过支柱16与所述不等臂天平的底座15连接。

内电极7端盖有一小孔，穿在边刀杆34上并能绕其转动，两侧的回转关轴节33可以保证内电极7没有沿边刀杆34的轴向位移，内电极7通过边刀结构连接在天平横梁2的短臂端，内电极7下表面与绝缘杆12通过螺纹连接，绝缘套8套在外电极26的外表面，主要起保护作用。绝缘套8上下内径不同，上内径介于内电极7外径和外电极26内径之间，主要是为了防止内电极7触碰外电极26引起短路。绝缘套8上端开有两个小孔，分别用来引出直流电压源导线和电容测量装置的导线。外电极26的下端有橡胶垫圈27，主要起防护作用。整个外电极26结构由钢套9包裹起来。钢套9下表面有一个环形凹槽，轴承座10中间是为圆筒形，两者相互配合可以使钢套9牢固安放在轴承座10上。轴承座10内部套有直线轴承28，可以保证绝缘杆12在其中轴向移动时具有很高的同轴度和足够的运动敏捷性。

所述不等臂天平还包括天平横梁2、天平调平机构、指针18、立柱16、立柱平台19、底座15、天平限位21、宝石刀口20、宝石刀承22、调整支架25和水准泡23；所述宝石刀口20套在所述天平横梁2上，所述宝石刀承22固定在所述立柱平台19上，二者构成配合，所述立柱平台19通过立柱16与所述底座15固定连接，所述底座15下方设置有四个调整支架25，所述立柱16上设置有水平的辅助杆24，所述辅助杆24上设置有水准泡23和指示牌17，所述指示牌17和与宝石刀口20连接的指针18配合调平，所述宝石刀口20位于所述两个天平限位21中间二分之一处；所述天平调平机构包括调平螺母5、螺杆4和螺杆固定端3，天平横梁2上表面加工出个螺纹孔，用来连接两个螺杆固定端3，两个螺杆固定端3之间连接有螺杆4，调平螺母5在螺杆4上可以手动调节，调平螺母5在短臂端的可移动距离长于长臂端，这是考虑到天平横梁2长臂端的自重力大于短臂端，所以调平螺母5应调整至短臂一侧，但是不排除短臂端连接上边刀结构和内电极7后使平衡中心偏移到短臂一侧，所以在长臂端预留了一段长度。

所述托盘1包括顶针支撑、两根细铁针和圆盘，顶针35的磨光柱形导杆按滑合插入天平横梁2来实现固定。整个结构具有很小的质量。顶针35的圆锥角为60°，埋头窝的圆锥角为90°。顶针支承具有表面摩擦力极小、无偏扭危险且摩擦力矩随温度变化而变化异常微小的优点。考虑到所用标准砝码为mg单位且要求标准砝码的力值作用点尽量保持在一个位置上，采用圆盘和顶针支承结构可以实现目的。

天平横梁2截面为矩形，材料为轻质铝合金，中间呈直线，在两端各有一垂直拐角，长臂端有一圆柱形小孔，用来连接顶针35，短臂端加工一成比天平横梁2截面更小的矩形截面，用来固定边刀结构。

所述边刀结构包括边刀刀承6、边刀刀口29、边刀调平螺钉30、边刀盒31、反向连接片32、回转关轴节33和边刀杆34；所述边刀刀口29镶嵌在所述边刀盒31上，所述边刀盒31套在所述天平横梁2短臂端部并可以相对移动，所述边刀刀口29与所述边刀刀承6接触配合，所述边刀刀承6两端连接有反向连接片32，所述两个反向连接片32通过回转关轴节33与边刀杆34连接，所述边刀调平螺钉30包括三个长螺钉和六个短螺钉，所述三个长螺钉分别旋在前表面、后表面和下表面的对称线上，并顶在所述天平横梁2上，所述六个短螺钉分别位于三个长螺钉在边刀盒31相应表面上的对称线的两侧并对称分布。

所述不等臂天平的杠杆比K的取值为：K＞1。

微位移测量装置将普通数显千分尺13进行改进，去掉测量柱另一端，并且在剩下的测量柱上加工出一段螺纹。在进行电容梯度测量实验前，将数显千分尺13与绝缘杆12通过连接套11连接在一起。使用时手动调节旋钮每进给一位移，可以锁住测量杆，通过屏幕示数快速读出某一处的位移值或相对位移值。数显千分尺13的量程为25mm，分辨率为0.001mm，可以满足微位移进给对精度的要求，且结构简单，操作方便。

测量电路及计算机控制系统包括直流电压电路、电容测量电路等。计算机控制系统将在统一的界面下实现对各部分信号的采集、控制和数据的处理，并将结果显示。

使用本发明的微力测量装置进行测量实验时，遵循以下测量原理：

在理想情况下，保持电容器两电极间的电压为一常数，此时若使两个电极间有一个相对位移，则需要对电容器做功：

dW=F·dz＝1/2U²dC

式中：dW为机械能变化量；F为力值；dz为电容器两电极板的相对位移；U为电容器两极间的电压；dC为电容器电容值的变化量。

对于一个已经制造好的一维电容器而言，电容梯度dC/dz是其固有属性。通过测量电容器两极间的电压U，把U和电容梯度dC/dz的值代入公式，就可以得到力值的大小：

$F=1/2U^2\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dz}}$

式中：F为力值；dz为电容器两电极板的相对位移；U为电容器两极间的电压；dC为电容器电容值的变化量。

在理想情况下，该公式适用于本发明的同轴变面积型圆柱电容器。

使用本发明的微力测量装置进行电容梯度实验：首先，使内电极7与天平横梁2分离，将数显千分尺13和绝缘杆12通过连接套11连接并且使内电极7与外电极26重叠某一长度。其次，将内电极7和外电极26接入稳压电路和电容测量电路。第三，在两极板间施加电压，以内电极7初始位置为测量零点，手动旋转数显千分尺13的旋钮，获得内电极7的一系列相对位移Z₁、Z₂、……、Z_n和对应于每次位移的电容值C₁、C₂、……、C_n。这样的扫描重复进行若干次，将结果进行曲线拟合，就可以得到电容梯度dC/dz的实验值。

使用本发明进行静电力标定与力值溯源实验：首先，将内电极7与天平横梁2通过边刀结构连接，取下数显千分尺13和连接套11。其次，在电容器两极板间加一定电压，将产生一定静电力，使天平处于平衡状态。第三，将一个标准砝码放置在托盘1内，天平将失去平衡，调节两极间的电压使天平恢复平衡，则此时的电压值代表着力值的大小。

根据公式

计算出此时静电力的大小，并与标准砝码自重力相比较。

通过拟合得出静电力与标准砝码自重力关系曲线，将曲线向更小力值方向延伸，实现超微力值的溯源。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制。

Claims (8)

1.微力测量装置，其特征在于，包括不等臂天平、力值复现装置、微位移测量装置、计算机控制系统；

所述不等臂天平的长臂端部设置有托盘（1），短臂端部设置有边刀结构，所述边刀结构通过力值复现装置与微位移测量装置连接；

所述微位移测量装置的数显千分尺（13）的输出端通过连接套（11）与所述绝缘杆（12）连接，所述绝缘杆（12）与所述力值复现装置的内电极（7）上端盖的螺纹孔连接，所述轴承座（10）通过支柱（14）与所述不等臂天平的底座（15）连接，计算机控制系统实现对信号的采集、控制和处理。

2.根据权利要求1所述的微力测量装置，其特征在于，所述装置还包括测量电路，所述力值复现装置的内电极（7）和外电极（26）接入所述测量电路。

3.根据权利要求1所述的微力测量装置，其特征在于，所述力值复现装置包括内电极（7）、外电极（26）、绝缘套（8）、橡胶垫圈（27）、直线轴承（28）、钢套（9）和轴承座（10）；所述内电极（7）上端通过边刀结构的反向连接片（32）与所述边刀结构的边刀刀承（6）连接，所述内电极（7）上端盖下表面设置有螺纹孔，所述外电极（26）为与内电极（7）同轴的圆筒形，所述外电极（26）外表面套有所述绝缘套（8），所述绝缘套（8）上表面开有引出电线的两个通孔，所述外电极（26）下端面设置有橡胶垫圈（27），所述绝缘套（8）外表面套有钢套（9），所述钢套（9）下端与所述轴承座（10）固定连接，所述轴承座（10）内部套有直线轴承（28）。

4.根据权利要求1所述的微力测量装置，其特征在于，所述不等臂天平还包括天平横梁（2）、天平调平机构、指针（18）、立柱（16）、立柱平台（19）、底座（15）、天平限位（21）、宝石刀口（20）、宝石刀承（22）、调整支架（25）和水准泡（23）；所述宝石刀口（20）套在所述天平横梁（2）上，所述宝石刀承（22）固定在所述立柱平台（19）上，所述立柱平台（19）通过立柱（16）与所述底座（15）固定连接，所述底座（15）下方设置有四个调整支架（25），所述立柱（16）上设置有水平的辅助杆（24），所述辅助杆（24）上设置有水准泡（23）和指示牌（17），所述指示牌（17）和与宝石刀口（20）连接的指针（18）配合调平，所述宝石刀口（20）位于所述两个天平限位（21）中间二分之一处；所述天平调平机构包括调平螺母（5）、螺杆（4）和螺杆固定端（3），所述螺杆（4）通过两端的螺杆固定端（3）固定在所述天平横梁（2）上，靠近短臂一端较长，通过移动螺杆（4）上的调平螺母（5）调节天平的平衡。

5.根据权利要求4所述的微力测量装置，其特征在于，所述天平横梁（2）截面为矩形，所述内电极（7）和所述外电极（26）由铝材料制成。

6.根据权利要求1所述的微力测量装置，其特征在于，所述托盘（1）为顶针支承、两根细铁针和圆盘构成的整体，所述圆盘和所述顶针支承之间通过细铁针点焊连接起来，顶针（35）和顶针支承构成配合，顶针（35）的磨光柱形导杆按滑合插入天平横梁（2）来实现固定。

7.根据权利要求1所述的微力测量装置，其特征在于，所述边刀结构包括边刀刀承（6）、边刀刀口（29）、边刀调平螺钉（30）、边刀盒（31）、反向连接片（32）、回转关轴节（33）和边刀杆（34）；所述边刀刀口（29）镶嵌在所述边刀盒（31）上，所述边刀盒（31）套在所述天平横梁（2）短壁端部并可以相对移动，所述边刀刀口（29）与所述边刀刀承（6）接触配合，所述边刀刀承（6）两端连接有反向连接片（32），所述两个反向连接片（32）通过回转关轴节（33）与边刀杆（34）连接，所述边刀调平螺钉（30）包括三个长螺钉和六个短螺钉，所述三个长螺钉分别旋在前表面、后表面和下表面的对称线上，并顶在所述天平横梁（2）上，所述六个短螺钉分别位于三个长螺钉在边刀盒（31）相应表面上的对称线的两侧并对称分布。

8.根据权利要求1所述的微力测量装置，其特征在于，所述不等臂天平的杠杆比K的取值为：K＞1。

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