CN106595942A - 微小力的动态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小力的动态测量装置，包含高真空热沉系统、磁悬浮转子系统、测速系统三个子系统。磁悬浮转子系统包括超导导轨、转轴、支架、叶片位于高真空热沉系统内，测速系统中反光板位于叶片上，测速系统的其他部分位于高真空热沉系统外。低温状态下，磁悬浮转子系统中的超导导轨令该子系统的其他部分即转子部分稳定悬浮，消除接触摩擦，并仅保留一个平面旋转自由度。被测推力附着在磁悬浮转子系统的每一片叶片的一面上使转子持续加速，在高真空热沉系统提供的低温高真空环境下，磁悬浮转子系统的转速时间曲线透过观察窗被测速系统获得，进一步计算得到被测推力。

Description

微小力的动态测量装置

技术领域

本发明涉及一种精确测量微小力的实验装置，具体是一种真空悬浮系统配合小型旋转系统的组合装置。

背景技术

微小力测量指针对10^-5N以下的力进行精确的测量，其在纳米技术、微纳制造、生物医学、航天微推进器等高新领域的发展中，有着广阔的应用前景和不可动摇的实践地位。目前，公知的微小力测量系统有四个主要方向，包括原子力显微镜悬臂梁技术、基于微摩擦力特性的测量、扭矩式微力测量技术以及静电力式微力测量等。

文献“D.B.Newell,J.R.Pratt,J.A.Kramar,D.T.Smith and E.R.Williams.TheNIST Microforce Realization and Measurement Project[J].IEEE Transactions onInstrumentation and Measurement,2003,52(2):508-511.”公开了美国国家标准技术研究所基于静电复现原理设计的静电力天平。它实现了对大小在10^-8N～10^-4N范围内的力的测量，相对误差约为10^-4量级。英国国家物理实验室利用静电平衡同样研制了一套微小力测量系统，测量范围为10^-9N～10^-6N，分辨率达到了5×10^-11N。更进一步，文献“ChristianSchlegel,Oliver Slanina,Günther Haucke,Rolf Kumme.Construction of a standardforce machine for the range of 100μN-200mN[J].Measurement,2012:1-5.”公开了德国国家物理实验室基于导电圆盘摆和一对平行极板研制出的一种电磁力平衡装置，可测量10^-5N以下的静态力且分辨率为10^-12N。

在微小力测量方面，国内尚处于初级探索阶段。例如文献“于鹏,董再 励等.亚微牛顿级力测量装置:中国,201096557Y[P].2008-08-06.”所公开的中国科学院沈阳自动化研究所基于PVDF压电材料实现的3×10^-6N范围内精度达2×10^-7N的静力测量系统，以及文献“秦海峰，刘永录.微小力值测量装置:中国,201477009U[P].2012-05-19.”公开的中国科学院长春光机采用悬臂梁技术，研制出的用以测量范围在0-3.1×10^-5N，分辨率为4.6×10^-5N的微力传感器都是国内微小力探测方面的尝试，但是基本都属于微电系统应用领域。

以上所述的技术方案均是利用复杂的微电系统和相关效应对微小力进行静态测量，其发展和应用依赖于微电子电路设计的稳定性以及微电子产品的不断更新。随着微电子产业的不断发展，相关的技术方案均会越发成熟，但是与此同时会出现边际效应，其进步将越来越大地受限于微电子学的应用极限。因此，从其他领域对微小力测量进行技术方案创新与构造是必要的，这不仅能够丰富测量手段，还可以将二者进行对比与参考，得到更加先进、更加精确的方法和结果。同时，静态的微小力测量对于实验条件的要求十分苛刻，对于结果的得到、认知、判别与分析也十分抽象。

发明内容

本发明的目的是针对现有静态测量技术的不足与偏颇，提供一种不以微电子学科为背景的，基于真空磁悬浮技术的微小力动态测量系统。本发明的微小力测量系统采用了微小力有效积累的构思，将消除阻力、简化运动、积累推力等方法结构化，从而大大增加了微小力测量的精确度、反复性、操作性与直观性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明的微小力的动态测量装置，包括高真空热沉系统、磁悬浮转子系统以及测速系统三部分，高真空热沉系统包括一真空罐体，罐身内部包括一层通有液氮的热沉，热沉的腔内部为磁悬浮转子系统，其中，磁悬浮转子系统由一环状超导导轨、一到两对支撑支架与一硬磁转子构成，硬磁转子通过 支撑支架支撑在超导导轨上，硬磁转子由转轴、若干连接支架和若干叶片构成，转轴为扁平圆柱环，采用硬磁材料制成，若干连接支架为矩形长条，辐射状地一端固定连接到转轴上，另一端端部设置有叶片，叶片为矩形网状薄板，叶片上附着所需测量的持续力，并在下方角落处附着一小块反光材料，常温下，转子在支架的支撑下静置在导轨上方，在液氮维持的低温条件下，撤除支撑支架，则超导导轨将托起转子，使其具有抗翻转和抗离轨的自稳定性；测速系统包括定向激光发射器、光敏探测器、微电流计、计算机，利用激光的高度准直特性，当且仅当转子的某一叶片旋转至特定位置时，叶片附着的一小块反光材料将激光沿既定方向直接反射至光敏探测器，光敏探测器通过对光信号强弱的识别，在激光未照射时，输出本底信号；当激光照射时，即输出高响应电流脉冲。两种信号以及信号产生的时间经过导线传递至微电流计，并通过微电流计的处理转化为数字信号组，最终将信息记录在控制储存系统中。同时，控制系统通过安装USB-RS232驱动并编写Labview程序可以实现一系列包括，但不限于测量时间调整、次数调整、间隔调整以及输入信号放大、对比、筛选等需求。

其中，真空罐体放置于机架上方，可打开的罐体顶盖为气弹簧辅助翻盖结构，罐身装配有三个引线法兰接口用以外接，同时还设置有手动放气阀、液氮入口和氮气出口三个通道，透过机架罐身下方连接分子泵与机械泵以实现和保持真空，其正面设置一扇观察窗，用以测速和观察。

其中，三个引线法兰接口用以外接电磁驱动装置以及其他合作测量装置。

其中，连接支架采用轻型钛合金材料制成。

其中，叶片为钛合金材料。

一种利用上述装置测量微小力的方法，包括如下步骤：

1)将持续微小力附着在每扇叶片上作为动力，而后将转子对中放置于真空罐内的超导导轨上；

2)安置之后密封高真空热沉系统的真空罐体，抽真空，固定测速系统中除光敏探测器以外的部件的位置与方向；

3)真空度低于10^-4Pa后，通入液氮，使转子被托起；状态平稳后，调整光敏探测器的位置与方向并固定；在系统标定完成之后，利用存储器记录的脉冲时间t_i,i＝1,2,3,4，记录点1、2之间和3、4之间转子转过的角度θ，以及记录1、2与记录3、4之间的间隔时间T，得到转子的加速度a：

再结合转子的角动量J，小推力与旋转轴的距离R，叶片个数n得到微小力f，如果微小力是分布力，则除以每个叶片上分布力的面积S，得到微小力分布密度σ，公式如下：

本发明的有益效果：基于真空悬浮技术的微小持续力动态测量系统由高真空热沉、磁悬浮转子以及测速等三个分系统构成，结构简单。各系统分工明确，相互独立，在搭建和调试时可以将整个系统模块化，更加快速有效。基于真空悬浮技术的微小持续力动态测量系统较为新颖，跳出了微小力测量一直以来所依赖的微电子领域，实现了新的精确的微小力测量方法，也给予了原有方法更多的对比与借鉴。利用该系统对微小力进行测量时，能够清晰具体地观察到运动过程，实现了可视化的动态测量，避免了静态测量严格的实验条件要求以及抽象单调的实验过程与结果。基于真空悬浮技术的微小持续力动态测量系统同时可以根据不同的测量要求以及精度要求，进行灵活的调整，从而实现测量跨度大、精度可调的目的。

附图说明

图1是本发明的微小力动态测量装置中高真空热沉系统的示意图；

图中，1.真空罐，2.气弹簧，3.法兰接口，4.手动放气阀，5.空气过滤 器，6.真空泵组，7.电磁隔断阀，8.电阻规，9.电离规，10.热沉，11.隔热支架组，12.LN2杜瓦罐，13.液氮输入管组，14.氮气输出管组，15.观察窗，16.电磁制动装置。

图2是本发明微小力动态测量装置中磁悬浮转子系统的示意图；

图中，21.超导导轨，22.叶片，23.支架，24.转轴，25.支架。

图3是本发明的微小力动态测量装置中观察窗观测的测速系统的示意图；

图中，31.反射材料，32.激光发射器，33.光敏探测器，34.微电流计，35.控制储存系统，36.连接线，1.真空罐，15.观察窗，21-25与图2所标相同，虚线为光路。

图4是本发明测量微小力的操作流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

参见图1，图1是本发明的微小力动态测量装置中高真空热沉系统的示意图；本发明的微小力的动态测量装置，包括高真空热沉系统、磁悬浮转子系统以及测速系统三部分，高真空热沉系统包括一真空罐体1，罐身内部包括一层通有液氮的热沉10，热沉10的腔内部为磁悬浮转子系统，其中，真空罐1为高真空环境的主要载体，其侧壁与罐底采用螺栓压合密封，上方曲面顶盖配有气弹簧2辅助，在组装调试时能够方便掀开。其侧壁上开有三个法兰接口3用以在必要时外接电路以及与其他系统的交互。同时侧壁连接一个放气孔道，配有手动放气阀4以及气体过滤器5，用以在测量结束后快速充气。底座与真空泵组6相连，之间用电磁阻隔阀7分离以便随时停止实验。为保证真空度达到10^-4Pa，真空泵需包括分子泵和机械泵两种，且机械泵需配有油吸附装置。同时，底座还连有电阻规8、电离规9，用以检测和保持罐内的高真空度。真空罐1内装有一层热沉10并利用隔热支架组11支撑而不与罐底接触。热沉10以液氮为冷却液，启动后始终维持在低温状态，从而使得磁悬浮转子系统能够正常运行。液氮来自于LN2杜瓦罐12，从穿罐 底的液氮输入管组13进入，升温气化后又穿过罐底从氮气输出管组14排至大气中。整个高真空热沉系统旨在为磁悬浮转子系统提供一个稳定的低温高真空的独立实验环境。在真空罐(1)侧壁上开有直径为200mm～400mm的玻璃透明观察窗15，热沉10在结构上也配有直径为250mm～450mm的用以观察的穿透孔，且二者同轴。通过观察窗可以对磁悬浮转子系统进行观察和测速，获取所需要的精确信息。电磁制动装置16用以标定系统阻力并在实验结束后对转子进行止动。

参见图2，图2显示了本发明微小力动态测量装置中磁悬浮转子系统的示意图；其中，磁悬浮转子系统由一环状超导导轨21、一到两对支撑支架与一硬磁转子构成，硬磁转子通过支撑支架25支撑在超导导轨21上，硬磁转子由转轴24、若干连接支架23和若干叶片22构成，转轴为扁平圆柱环，采用硬磁材料制成，若干连接支架23为矩形长条，辐射状地一端固定连接到转轴24上，另一端端部设置有叶片22，叶片22为矩形网状薄板，叶片22上附着所需测量的持续力，并在下方角落处附着一小块反光材料，常温下，转子在支架的支撑下静置在导轨21上方，在液氮维持的低温条件下，撤除支撑支架25，则超导导轨21将托起转子，使其具有抗翻转和抗离轨的自稳定性。

参见图3，图3是本发明的微小力动态测量装置中观察窗观测的测速系统的示意图；图中，21-25与图2中相同，组成磁悬浮转子系统，置于真空罐1当中。测速系统包括定向的激光发射器32、光敏探测器33、微电流计34、控制储存系统35，利用激光的高度准直特性，当且仅当转子的某一叶片旋转至特定位置时，叶片附着的一小块反光材料将激光沿既定方向直接反射至光敏探测器，光敏探测器通过对光信号强弱的识别，在激光未照射时，输出本底信号；当激光照射时，即输出高响应电流脉冲。两种信号以及信号产生的时间经过导线传递至微电流计，并通过微电流计的处理转化为数字信号组，最终将信息记录在控制储存系统中。信号的传递依靠光路以及导线36 实现。同时，控制系统通过安装USB-RS232驱动并编写Labview程序可以实现一系列包括，但不限于测量时间调整、次数调整、间隔调整以及输入信号放大、对比、筛选等需求。

在一具体的实施方式中，磁悬浮转子系统中，超导导轨21固定在图1中的热沉10之上，由低温超导材料制成，在液氮维持的65K～80K低温状态中呈超导状态，与转子互斥，使转子被托起，并具有抗翻转和抗离轨的自稳定性。转轴24为扁平圆柱环，采用硬磁材料，内径为40mm～50mm，外径为50mm～70mm，高度5mm～8mm，根据叶片与支架数量的不同，其上沿周向均匀开有3～12个3mm宽，5mm长的通孔。支架采用轻型钛合金材料矩形长条，向上有5°-10°翘起，以减少可能的接触。支架需备有至少2套，长度在15mm到50mm之间不等，用以配合不同的微小力。叶片采用轻型钛合金材料，为矩形网状薄板。叶片个数为3～12个不等，每片叶片上附着所需测量的持续力，并在下方角落处附着一小块反光材料32、叶片22、连接支架23与转轴24之间可反复固定和拆卸。支撑支架25为轻型合金材料,高度为2mm～4mm,在非实验状态下和常温状态下用以支撑转子。

在本发明另一优选的实施方式中，测速系统包括定向激光发射器33、光敏探测器34、微电流计35、控制储存系统36以及各电子学组件之间的连线37。利用激光发射器33的高度准直特性，当且仅当转子的某一叶片旋转至特定位置时，恰好能够将激光沿既定方向直接反射至光敏器件。光敏探测器34通过对光信号强弱的识别，在激光未照射时，输出本底信号；当激光照射时，即刻输出高响应电流脉冲，并最终将信号和时间信息记录在控制储存系统36中。为了在控制储存系统36中读出电流信号，需要使用Labview软件对微电流计35进行进一步的开发。

结合图4，基于真空悬浮技术的微小持续力动态测量系统对于微小持续力的测量步骤并不复杂。首先根据待测力的基本特性确定转子的结构，即叶片的个数、支架的长度等。而后将转子系统放入高真空热沉系统中，并置于超 导导轨之上。对高真空热沉系统进行密封，并开始抽真空，直至气压稳定在10^-4Pa以下。通入液氮使得磁悬浮转子系统开始正常工作，转子被托起，在微小力的作用下开始持续加速运动。调整测速系统中的激光发射器与光敏探测器的角度和距离，使信号能够顺利传递至控制储存系统。一次实验结束后，首先移除测速系统，而后停止液氮的输送。磁悬浮转子系统停止工作后，打开手动放气阀平衡内外气压。必要时可以选择不同的支架长度、叶片个数，从而反复多次进行标定和实验，并将实验结果进行结合整理，从而更加精确的分析误差。

在系统标定完成之后，利用实验中控制储存系统记录的脉冲时间t_i,i＝1,2,3,4，记录点1、2之间和3、4之间转子转过的角度θ，以及记录1、2与记录3、4之间的间隔时间T，可以得到转子的加速度

而对于该测量系统，其转子的加速度满足动态方程：

其中a,b,c,f为实验前已知的系统参量。它的解的形式表达式为：

结合实验情况，即实验时间不会超过一个月，则表达式可以化简为：

ω＝at

根据a的表达式，再结合转子的角动量J，小推力与旋转轴的距离R，叶片个数n得到微小力f。如果微小力是分布力，则除以每个叶片上分布力的面积S，得到微小力分布密度σ。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微小力的动态测量装置，包含高真空热沉系统、磁悬浮转子系统、测速系统三个分系统，其特征在于磁悬浮转子系统包括超导导轨、转轴、支架、叶片位于高真空热沉系统内，测速系统中反光板位于叶片上，其他部分位于高真空热沉系统外。

2.如权利要求1所述的动态测量装置，包括高真空热沉系统、磁悬浮转子系统以及测速系统三部分，高真空热沉系统包括一真空罐体，罐身内部包括一层通有液氮的热沉，热沉的腔内部为磁悬浮转子系统，其中，磁悬浮转子系统由一环状超导导轨、一到两对支撑支架与一硬磁转子构成，硬磁转子通过支撑支架支撑在超导导轨上，硬磁转子由转轴、若干连接支架和若干叶片构成，转轴为扁平圆柱环，采用硬磁材料制成，若干连接支架为矩形长条，辐射状地一端固定连接到转轴上，另一端端部设置有叶片，叶片为矩形网状薄板，叶片上附着所需测量的持续力，并在下方角落处附着一小块反光材料，常温下，转子在支架的支撑下静置在导轨上方，在液氮维持的低温条件下，撤除支撑支架，超导导轨将托起转子，使其具有抗翻转和抗离轨的自稳定性；测速系统包括定向激光发射器、光敏探测器、微电流计、计算机，利用激光的高度准直特性，当且仅当转子的某一叶片旋转至特定位置时，叶片附着的一小块反光材料将激光沿既定方向直接反射至光敏探测器，光敏探测器通过对光信号强弱的识别，在激光未照射时，输出本底信号；当激光照射时，即输出高响应电流脉冲。

3.如权利要求2所述的动态测量装置，其中，真空罐体放置于机架上方，可打开的罐体顶盖为气弹簧辅助翻盖结构，罐身装配有三个引线法兰接口用以外接，同时还设置有手动放气阀、液氮入口和氮气出口三个通道，透过机架罐身下方连接分子泵与机械泵以实现和保持真空，其正面设置一扇观察窗，用以测速和观察。

4.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，三个引线法兰接口用以外接电磁驱动装置以及其他合作测量装置。

5.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，连接支架采用轻型钛合金材料制成。

6.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，叶片为钛合金材料。

7.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，高真空热沉系统在真空罐侧壁上装有直径为200mm-400mm的透明玻璃观察窗，热沉结构上同样存在直径为250mm～450mm的透明观察孔，二者同轴。

8.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，转轴、支架与叶片可多次固定和拆卸，液氮冷却状态下超导导轨将转轴、支架与叶片作为整体悬浮2mm-7mm。

9.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，根据被测推力的范围，叶片选取3-12个不等，支架有两组，长度不同，范围为15mm-50mm。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置测量微小力的方法，包括如下步骤：

1)将持续微小力附着在每扇叶片上作为动力，而后将转子对中放置于真空罐内的超导导轨上；

2)安置之后密封高真空热沉系统的真空罐体，抽真空，固定测速系统中除光敏探测器以外的部件的位置与方向；

3)真空度低于10^-4Pa后，通入液氮，使转子被托起；状态平稳后，调整光敏探测器的位置与方向并固定；在系统标定完成之后，利用存储器记录的脉冲时间t_i,i＝1,2,3,4，记录点1、2之间和3、4之间转子转过的角度θ，以及记录1、2与记录3、4之间的间隔时间T，得到转子的加速度a：

$a=\frac{\mathrm{\θ}}{T}(\frac{1}{t_2-t_1}-\frac{1}{t_4-t_3})$

再结合转子的角动量J，小推力与旋转轴的距离R，叶片个数n得到微小力f，如果微小力是分布力，则除以每个叶片上分布力的面积S，得到微小力分布密度σ，公式如下：

$f=\frac{aJ}{R},\mathrm{\σ}=\frac{aJ}{nSR}$