CN105136384A - 一种高精度非接触式三维微小力发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度非接触式三维微小力发生装置，包括非接触式微力发生器、方向调节杆和旋转平台、固定底座，所述旋转平台安装在固定底座上，所述方向调节杆与旋转平台铰接，所述非接触式微力发生器安装在方向调节杆上。本发明增设了方向调节杆和旋转平台，通过方向调节杆和旋转平台的调节作用，不仅能够产生竖直方向上的微小力值，还能在水平方向及其它非竖直方向产生微小力值，具有极大的灵活性且精度较高；采用了新型非接触式结构的非接触式微力发生器，在检测校准时可以有效避免用力过大而造成的被检装置损坏或对被检装置造成不可恢复的影响，更加可靠。本发明可广泛应用于力学计量领域。

Description

一种高精度非接触式三维微小力发生装置

技术领域

本发明涉及力学计量领域，尤其是一种高精度非接触式三维微小力发生装置。

背景技术

力值是力学中最基本的物理量之一，力值测量广泛地应用于航空航天、船舶、兵器等国防科技领域，在民用领域如电子工业、汽车工业等制造业中也扮演着重要角色。

经过数十年的发展，力值计量已经形成了比较完善的计量体系。目前国内外已经建立起了一定范围内统一、完整的力值计量标准装置。我国目前力值计量标准只是限于大力值（0.1MN~5MN和0.5MN~20MN这两段）和中小力值（10N~1MN）。而对于微小力值的计量一般以标准砝码的重力来衡量。由于砝码本身质量的制约，最小标准砝码(即0.5mg的砝码)可以测量以及溯源的最小力值为微牛级别，而当砝码质量小于毫克级别时，由于质量本身存在很大的不确定度，因此各国并没有建立统一的、小于微牛级别的微小力值计量方法。

此外，采用微小砝码虽然可以测量到微牛级别的力，但仅限于竖直方向。当力的方向为水平方向时，目前通常采用定滑轮悬挂砝码系统来进行。该系统通过砝码在竖直方向上产生的重力，经过滑轮系统转化为水平方向的力进行测量或是标定。该系统方法简单，便于操作，因此在一般水平力值测量中经常被应用。但该系统由于受到摩擦力以及悬挂细线自身重力的影响，当所测水平力值继续减小时（<1mN），其测量误差开始急剧增大，精度急剧降低。当力值变为其他方向时，采用目前的方法很难在其他方向产生出微小标准力。

随着现代科技的飞速发展，新材料、微电子、生物技术以及航空航天技术等领域日新月异，人类认识世界和改造世界的能力从宏观领域进入到微观领域，微纳量级的力值在微纳米量级的加工技术、微小力传感器技术、生物力学量测量、液体表面张力研究、微观摩擦现象的观测以及微型卫星、微型间谍飞行器的姿态调整与定位等许多领域都具有重要的作用。在国务院“十二五”战略性新兴产业规划中，高端装备制造、生物产业以及新材料产业中的许多领域都离不开精确的微小力值计量。

微纳米量级的加工技术、微小力传感器技术、生物力学量测量、液体表面张力研究、微观摩擦现象的观测以及微型卫星、微型间谍飞行器的姿态调整与定位等，都需要对各方向的微小力值进行测量，这其中最为基础的一环便是采用准确的微小力进行标定。目前关于微小力的测量与量值溯源技术，各国的计量科研机构都开展了探索与研究工作。美国国家标准技术研究院（NIST）研究了基于电力学的微小力测量及溯源技术。利用电磁力结合瓦特平衡或是静电力结合福特电压平衡来获得微小标准力值，其标称范围可达到10nN-10mN，通过与1mg，10mg的标准砝码自重相比较，其相对误差为10^-4量级。目前NIST已将建立基于电力学的一级测量标准作为微小力测量实验室的核心目标。德国国家物理技术研究院（PTB）同样采用静电力原理，研制了电容式微小力测试系统，该装置可用于小于10μN的微小力的测量，其分辨率可达10^-12N。英国国家物理实验室（NPL）也准备采用静电力平衡原理，通过平面镜差分干涉仪测量一个电介体在受外力时在电容两极间移动的距离，来测量1nN-1μN的微小力值，其期望精度为50pN。

然而，目前世界各国对于微小力值的计量溯源体系的建立相对滞后，对微小力值的测量并无统一可靠的量值溯源方法。且力是一个矢量，其方向性和量值具有同样的重要程度，当前国内外对于微小力值的研究，绝大多数都集中在竖直方向，对于非竖直方向的微小力值的研究少有报道。但在实际应用中，非竖直方向微小力值比竖直方向微小力值的应用更为频繁，非竖直方向微小力值的精确计量已成为制约相关高端、高精度、新兴产业发展的关键问题。

此外，目前的微小力检测装置大多采用悬臂或是杠杆结构，在接触被检装置时，稍不留神便会发生施加力过大而引起被检测装置损坏或是发生不可恢复的破坏，不够可靠。以目前广泛使用的压电传感器为例，当其接触某些极为灵敏的装置时（如对微牛级力便会有响应的装置），很容易在接触时因用力过大而损坏被测装置或使被测装置产生不可恢复的影响，所以非接触式微小力发生装置极适合对该类装置进行微小力值的校准和标定。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种灵活性高、精确和可靠的高精度非接触式三维微小力发生装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高精度非接触式三维微小力发生装置，包括：

非接触式微力发生器，用于在外加电压的作用下产生微小静电力；

方向调节杆和旋转平台，用于调整非接触式微力发生器在三维空间中的方向；

固定底座，用于固定旋转平台；

所述旋转平台安装在固定底座上，所述方向调节杆与旋转平台铰接，所述非接触式微力发生器安装在方向调节杆上。

进一步，所述非接触式微力发生器为叉指微力发生器，所述叉指微力发生器的上下极板间的结构为叉指状结构，所述叉指微力发生器的上下极板分别与外部的正负电极连接，所述叉指微力发生器的下极板安装在方向调节杆上。

进一步，在所述叉指微力发生器的下极板与方向调节杆之间还设有位置调节装置，所述位置调节装置用于从X、Y和Z三个方向对叉指微力发生器相邻两叉指间的位置和距离进行精确调节。

进一步，所述位置调节装置包括X方向位置调节装置、Y方向位置调节装置和Z方向位置调节装置。

进一步，所述叉指微力发生器的上极板上方还设有用于连接被测装置的连接板。

进一步，在所述连接板与叉指微力发生器的上极板之间以及所述叉指微力发生器的下极板与位置调节装置之间均设有绝缘层。

进一步，还包括定位螺栓，所述旋转平台通过定位螺栓固定在固定底座上。

进一步，还包括用于固定方向调节杆方向的固定螺栓。

进一步，所述方向调节杆与旋转平台的铰接方式为球形铰接。

本发明的有益效果是：增设了方向调节杆和旋转平台，通过方向调节杆和旋转平台的调节作用，不仅能够产生竖直方向上的微小力值，还能在水平方向及其它非竖直方向产生微小力值，具有极大的灵活性且精度较高；采用了新型非接触式结构的非接触式微力发生器，在检测校准时，两极板并不接触，有一个缓冲的空间，该非接触式结构可以有效避免用力过大而造成的被检装置损坏或对被检装置造成不可恢复的影响，更加可靠。进一步，非接触式微力发生器采用新型的叉指状结构，极大地减小了极板间距离不确定度对于微小力值的影响，不再需要传统装置的激光干涉仪来满足极板间距离精确测量的要求，结构简单，成本更低，且操作更简便。进一步，还设有位置调节装置，能从X、Y和Z三个方向对叉指微力发生器相邻两叉指间的位置和距离进行精确调节，进一步提高了装置的精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种高精度非接触式三维微小力发生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一叉指状结构的底部视图；

图3为本发明实施例一叉指状结构的侧视图；

图4为本发明实施例一输入电压与输出微小力值之间的函数关系示意图；

图5为本发明实施例二对微小力传感器进行校准的结构示意图。

附图标记：1、固定底座；2、定位螺栓；31、X方向位置调节装置；32、Y方向位置调节装置；33、Z方向位置调节装置；4、连接板；5、绝缘层；6、方向调节杆；7、旋转平台；8、微小力传感器；9、设备；20、固定螺栓。

具体实施方式

参照图1，一种高精度非接触式三维微小力发生装置，包括：

非接触式微力发生器，用于在外加电压的作用下产生微小静电力；

方向调节杆6和旋转平台7，用于调整非接触式微力发生器在三维空间中的方向；

固定底座1，用于固定旋转平台7；

所述旋转平台7安装在固定底座1上，所述方向调节杆6与旋转平台7铰接，所述非接触式微力发生器安装在方向调节杆6上。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述非接触式微力发生器为叉指微力发生器，所述叉指微力发生器的上下极板间的结构为叉指状结构，所述叉指微力发生器的上下极板分别与外部的正负电极V+和V-连接，所述叉指微力发生器的下极板安装在方向调节杆6上。

其中，外部的正负电极V+和V-用于为非接触式微力发生器提供外加电压。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，在所述叉指微力发生器的下极板与方向调节杆6之间还设有位置调节装置，所述位置调节装置用于从X、Y和Z三个方向对叉指微力发生器相邻两叉指间的位置和距离进行精确调节。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述位置调节装置包括X方向位置调节装置31、Y方向位置调节装置32和Z方向位置调节装置33。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述叉指微力发生器的上极板上方还设有用于连接被测装置的连接板4。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，在所述连接板与叉指微力发生器的上极板4之间以及所述叉指微力发生器的下极板与位置调节装置之间均设有绝缘层5。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括定位螺栓2，所述旋转平台7通过定位螺栓2固定在固定底座1上。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括用于固定方向调节杆6方向的固定螺栓20。

在通过方向调节杆6将本装置调节到所需的空间角度之后，再使用固定螺栓20对方向调节杆6进行固定，以保证校准标定过程中方向调节杆6的位置不再发生变化。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述方向调节杆6与旋转平台7的铰接方式为球形铰接。

方向调节杆6与旋转平台7的铰接方式为球形铰接，即采用了球形铰接机构，更便于安装和生产，且不需进行角度调整。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参照图2、图3和图4，本发明的第一实施例：

传统的静电力发生装置一般通过电容极板之间的静电力来产生微小力值，根据电容器原理，平板电容器两极板间的静电力F的计算公式为：

（1）

其中，ε ₀是极板间气体的介电常数，V是施加在两极板间的电压，L是两极板之间的距离，A _p是两极板之间的相对面积。

由式（1）可知，极板之间的距离L与两极板之间的静电力成平方关系，也就是说即使L的值发生微小的改变，也会对两极板间的力值产生很大的影响。两极板间产生的静电力本来就是微小力值，两极板间的距离测量若稍有偏差，就会对微小力值产生很大的影响，因此许多研究人员采用激光干涉仪来测量两极板之间的距离，以减小因为距离测量不确定度引起的微小力值误差。但激光干涉的仪价格比较昂贵，且加上激光干涉仪后，也加大了微小力发生器本身的复杂程度，不利于装置的简化和使用。

本发明在传统的静电力发生装置的基础上，改变了电容间平行极板的设计，通过新型的叉指状极板结构，可以极大地减小极板间距离不确定度对于微小力值的影响。

新型叉指状结构如图2和图3所示，带斜线的部分为施加电压的部位（接V+，电势为V），中间无斜线的部分为接地部分（接V－，电势为0）。其中，一个叉指的截面尺寸为2d×2c，两叉指的侧面距离为2g，两叉指相交部分的长度为2x ₀。由图2和3可知，叉指间的侧面距离2g由加工精度与安装精度决定，因此只要保证加工和安装时的精度要求，在使用时其便不会对结果造成任何其他的影响。故该装置在使用过程中只需控制两叉指间相交部分的长度2x ₀，便可控制微小力值的范围。

采用新型的叉指状静电力发生器，加上叉指状结构后，极板之间的静电力F变为：

（2）

其中，N是叉指的个数，如图2和3所示，g是两叉指侧面距离的一半，x ₀为两叉指相交部分长度的一半。由式（2）可以看出，叉指间距离x ₀对于静电力F的影响明显减小，因此若采用该结构，可明显减小距离测量不确定度对于微小力值的影响。本实施例解决了极板间距离不确定度对于微小静电力值的影响，无需采用激光干涉仪来进行距离的精确测试，极大地简化了装置的组成，降低了装置的价格，简化装置的操作；同时，采用该新型装置后，微小力值仍能保持较高精度。

本实施例将高精度的叉指状结构与静电力发生器相结合，组合成新型叉指状高精度非接触式微小力发生装置，具体实现过程为：

1、通过理论计算得到各种叉指状结构参数对于静电力的影响，并选出最优参数，作为该装置静电力发生器的极板参数。

2、通过实验对比，研究出采用不同极板间距时，微小力值的变化情况：通过对于极板间距的微小改变，来测试微小力值受极板间距影响的程度，并确定出最优的极板间距参数。

3、通过实验确定出电压与微小力值之间的关系，然后经过数据拟合，得到电压与微小力值之间的函数关系式，并通过高精度电子天平对于该装置在重力方向的力值来确定其力值精度确定力值误差。通过重复性实验，来确定该装置的稳定性情况。

4、根据求出的函数关系式，列出在一定极板距离时，施加电压与微小力值的对应关系表，根据该对应关系表，就可通过调整极板间电压来产生所需的微小力值。

图4为采用该新型叉指状高精度非接触式微小力发生装置时，输入电压与输出微小力值之间的一种函数关系示意图。其中，线型图（即x ₀对应的图）表示当叉指间交叉距离x ₀分别为4mm，5mm，6mm时，输出微小力值的理论计算值；点状图（即Exp.x ₀对应的图）为叉指间距离x ₀分别为4mm，5mm，6mm时，输出微小力值的实验值。

由图4可知，不论是理论计算还是实验均表明，当叉指间的距离发生变化时，该装置输出微小力值的变化很小，也就是说距离测量不确定度对于输出微小力值的影响很小。

以施加的电压为500V为例，当叉指间交叉距离x ₀从4mm变到6mm时，其理论计算和实验得到的输出微小力值的变化均不到1%。因此只要通过本装置的方向和位置调节装置进行调节便能够得出高精度的输出微小力值，而不再需要采用激光干涉仪等高精度测量设备对极板间距离进行精确测量。

实施例二

参照图1-5，本发明的第二实施例：

本发明一种高精度非接触式三维微小力发生装置主要由叉指微力发生器、位置调节装置、方向调节杆、旋转平台以及固定底座组成。叉指微小力发生器通过在其两端施加电压可以产生微小静电力，同时通过旋转平台以及方向调节杆可以产生空间各个方向的微小力，而X,Y,Z三个方向的位置调节装置可以对两叉指之间的位置和距离进行精确调节，从而产生空间各方向的微小力。

该装置的使用过程为：

先通过实验确定在叉指距离为某一范围内时，加载电压与叉指间微小力之间的函数关系。由于采用了新型叉指结构，叉指间的微小距离变化对于微小力的影响很小，因此可以得到在某一距离范围内，叉指之间微小静电力与电压之间的函数关系式。然后在使用时，根据需要，通过调节旋转平台以及方向调节杆来控制微小力的产生方向，并根据校准需要确定叉指间的距离，以便产生某一范围内的微小力。最后通过改变叉指之间的电压，来产生所需方向的标准微小力，该标准微小力值可以根据电压与微小力值之间的函数关系式反推得到。

如图5所示，在许多情况下，传感器都是安装在设备上，其受力的方向也不是竖直方向，若采用传统的微力发生装置进行检测或是校准就必须将传感器从设备上拆卸下来，并检测或校准完成之后再将其安装到设备上去，不够方便。而且若传感器（如微小力传感器等）属于高灵敏度传感器，则其在拆卸和安装的过程中很容易造成损坏，不够可靠。

此外，许多情况下，设备上的微小力传感器本来就用来测量非竖直方向的微小力值，因此拆卸下来校准与其使用情况完全不同，达不到校准的目的，拆卸下来后还必须要提供非竖直方向的标准微小力值才能对其进行校准，操作起来十分复杂；而有些多分量力传感器还需要测量微小力在非竖直方向的分力，也要求提供非竖直方向的微小力进行校准，若继续采用传统的微力发生装置操作会非常复杂且难以保证校准效果。

而采用本发明的高精度非接触式三维微力值发生装置对图5所示的微小力传感器8进行校准时，则可以很好解决上述问题。如图5所示，该装置先通过旋转平台和方向调节杆确定其方位，然后再通过调节X,Y,Z三个方向的位置调节装置来调节两个叉指型微小力发生器的距离和位置，并根据需要的标准力大小来确定两个叉指型微小力发生器的距离，最后通过调节加载电压便可以在两个叉指间产生相应方向的标准微小力，对微小力传感器8进行校准。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）增设了方向调节杆和旋转平台，通过方向调节杆和旋转平台的调节作用，不仅能够产生竖直方向上的微小力值，还能在水平方向及其它非竖直方向产生微小力值，具有极大的灵活性且精度较高。

（2）采用了新型非接触式结构的非接触式微力发生器，在检测校准时，两极板并不接触，有一个缓冲的空间，该非接触式结构可以有效避免用力过大而造成的被检装置损坏或对被检装置造成不可恢复的影响，更加可靠。

（3）非接触式微力发生器采用新型的叉指状结构，极大地减小了极板间距离不确定度对于微小力值的影响，不再需要传统装置的激光干涉仪来满足极板间距离精确测量的要求，结构简单，成本更低，且操作更简便。

（4）还设有位置调节装置，能从X、Y和Z三个方向对叉指微力发生器相邻两叉指间的位置和距离进行精确调节，进一步提高了装置的精度。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：包括：

非接触式微力发生器，用于在外加电压的作用下产生微小静电力；

方向调节杆（6）和旋转平台（7），用于调整非接触式微力发生器在三维空间中的方向；

固定底座（1），用于固定旋转平台（7）；

所述旋转平台（7）安装在固定底座（1）上，所述方向调节杆（6）与旋转平台（7）铰接，所述非接触式微力发生器安装在方向调节杆（6）上。

2.根据权利要求1所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：所述非接触式微力发生器为叉指微力发生器，所述叉指微力发生器的上下极板间的结构为叉指状结构，所述叉指微力发生器的上下极板分别与外部的正负电极（V+和V-）连接，所述叉指微力发生器的下极板安装在方向调节杆（6）上。

3.根据权利要求2所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：在所述叉指微力发生器的下极板与方向调节杆（6）之间还设有位置调节装置，所述位置调节装置用于从X、Y和Z三个方向对叉指微力发生器相邻两叉指间的位置和距离进行精确调节。

4.根据权利要求3所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：所述位置调节装置包括X方向位置调节装置（31）、Y方向位置调节装置（32）和Z方向位置调节装置（33）。

5.根据权利要求3所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：所述叉指微力发生器的上极板上方还设有用于连接被测装置的连接板（4）。

6.根据权利要求5所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：在所述连接板（4）与叉指微力发生器的上极板之间以及所述叉指微力发生器的下极板与位置调节装置之间均设有绝缘层（5）。

7.根据权利要求1所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：还包括定位螺栓（2），所述旋转平台（7）通过定位螺栓（2）固定在固定底座（1）上。

8.根据权利要求1所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：还包括用于固定方向调节杆（6）方向的固定螺栓（20）。

9.根据权利要求1所述的一种高精度非接触式三维微小力发生装置，其特征在于：所述方向调节杆（6）与旋转平台（7）的铰接方式为球形铰接。