CN111896148A - 一种气浮式微力测量装置及其摩擦力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气浮式微力测量装置及其摩擦力补偿方法，包括气浮导轨、锁紧块、支撑柱、卡箍、高压气瓶、位移传感器、针规、微分头和弹簧。其中，气浮导轨由导轨和气浮滑块组成；为了减小外部气路管道对微力测量的干扰，卡箍将高压气瓶和气浮滑块固连在一起；微分头通过锁紧块固连于支撑柱上；弹簧一端固定于支撑柱上，一端自由；位移传感器放置于地面，针规固定于卡箍上。当向右的微小力作用于气浮滑块上，气浮滑块带动高压气瓶一起向右运动，进而压迫弹簧，通过位移传感器可获得气浮滑块的移动量，即弹簧压缩量的大小。由于弹簧的刚度事先已测得，根据胡克定律即可求得作用于气浮滑块的微力大小。为了进一步提高测量精度，需对气浮滑块的内在摩擦阻力进行补偿。通过调整微分头可将导轨倾斜一个微小的角度，参与运动的零部件的平行于导轨的重力分力可以补偿气浮滑块的内在摩擦阻力。

Description

一种气浮式微力测量装置及其摩擦力补偿方法

技术领域

本发明属于微力测量、机械领域，具体是一种气浮式微力测量装置及其摩擦力补偿方法。

背景技术

微小力值的测试技术被广泛应用于新材料、微机电、生物医药等领域，微力测量的技术水平一定程度上影响着上述等新兴科学的进展，也是一个国家科研实力的一个重要体现。微力测量其中的一个难点在于如何将力学量转化为一个更易于测量的物理量，并且在测量过程中尽可能的减小测量误差。而在微力测量领域中，一般将力学量转化为电学量进行测量，同时对微力的测量方向往往局限于重力方向，而且测量设备结构较复杂，造价高昂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的微力测量装置，通过将对力的测量转化为对弹簧的压缩量的测量。为了减小测量的误差，提高测量的精度，本发明同时提出了一种摩擦力补偿方法来对测量装置的内在摩擦力进行补偿。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种气浮式微力测量装置,包括导轨(1)、气浮滑块(2)、支撑柱(3)、卡箍(4)、高压气瓶(5)、位移传感器(6)、针规(7)、微分头(8)、锁紧块(9)和弹簧(10)。其中，气浮导轨由导轨(1)和气浮滑块(2)组成。微分头(8)通过锁紧块(9)被固定在支撑柱(3)上，每个支撑柱(3)上固定有三个微分头(8)。微分头(8)起到支撑固定导轨(1)的作用，并且通过配合调节四个支撑柱(3)上的微分头(8)可以调节导轨(1)的位置与倾角。卡箍(4)将高压气瓶(5)与气浮滑块(2)固连在一起。同时高压气瓶(5)内装有高压气体，高压气体通过减压阀(图中未画出)进入气浮滑块(2)，为气浮滑块(2)供气。弹簧(10)一端被固定在支撑柱(3)上，一端自由。在气浮滑块(2)受到平行于导轨(1)且方向向右的微小力后，气浮滑块(2)带动卡箍(4)、高压气瓶(5)以及针规(7)一起向右运动。进而气浮滑块(2)通过挤压弹簧(10)的自由端来压迫弹簧(10)。位移传感器(6)放置于地面，针规(7)固连在卡箍(4)上。通过位移传感器(6)对针规(7)的测量，可测得针规(7)与位移传感器(6)的距离。通过多次测量，即可得到针规(7)的移动距离。而针规(7)的移动距离就是气浮滑块(2)移动的距离，也就是弹簧(10)的压缩量大小。在进行微力测量前应获得弹簧(10)的刚度，根据事先测得的弹簧(10)的刚度，依据胡克定律即可求得作用于气浮滑块(2)的微力大小。此微力就是需要测量的微力。

同时，虽然气浮滑块的内在摩擦阻力很小，但为了提高测量精度，仍然需对气浮滑块的内在摩擦阻力进行补偿。通过调节多个微分头(8)，导轨(1)将倾斜一个微小角度α。该倾角α可由放置于气浮滑块(2)表面上的光学合像水平仪或其他测量倾角的设备测得。而该微小角度α的大小可由式：

α＝arctanf

来确定。其中，f是气浮滑块(2)的摩擦系数，需要事先测得。由于导轨(1)的倾斜，参与运动的零部件(气浮滑块(2)、卡箍(4)、针规(7)、高压气瓶(5))受到的平行于导轨(1)的重力分力大小与气浮滑块(2)受到的摩擦阻力大小相等，即补偿了气浮滑块(2)的内在摩擦阻力。

本发明的有益效果是：

1.不同于其他传统的测力装置存在较大的内在阻力，难以测量微小力，由于气体作为气浮滑块和导轨的中间润滑介质，气浮滑块的内在摩擦力极小，因此使得对微力的测量成为可能；

2.气浮滑块的摩擦阻力可较容易保持恒定，这有利于减小测量误差；

3.本发明提出的摩擦力补偿方法可进一步减小测量误差，提高测量精度；

4.该测量装置结构简单，造价低廉；

5.更换不同刚度的弹簧，可轻易改变测量装置的分辨力和量程。

附图说明

图1为本发明装置的主视图；

图2为本发明装置的左视图；

图3为本发明装置的俯视图。

图中，1.导轨，2.气浮滑块，3.支撑柱，4.卡箍，5.高压气瓶，6.位移传感器，7.针规，8.微分头，9.锁紧块，10.弹簧。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：

如图1、图2、图3所示，位移传感器6以及支撑柱3均被固定于地面上。弹簧10一端固定在支撑柱3上，一端自由。

在导轨1的四角均有3个微分头来支撑固定导轨1，并且通过配合调节四个支撑柱3上的微分头8可以调节导轨1的位置与倾角。微分头8通过锁紧块9被固定在支撑柱3上，支撑柱3材料为不锈钢。本发明装置的导轨行程为10mm，该行程大小可根据具体需求，进行不同长度的设计。

高压气瓶5内装有高压气体，高压气体通过减压阀(图中未画出)进入气浮滑块2，为气浮滑块2供气。气浮滑块2的上下表面均设计有螺纹孔，通过螺栓，卡箍4被固定在气浮滑块2下表面。卡箍4下端有螺纹通孔，通过调节螺栓螺母，可微调卡箍4的直径大小，进而固定住高压气瓶5。卡箍4上固定有针规7。

下面给出使用该气浮式微力测量装置的具体实施方案：

首先，在使用该气浮式微力测量装置前应获得弹簧10的刚度与气浮滑块2的内在摩擦系数f。然后，打开高压气瓶5的减压阀使得气浮滑块浮起来。然后，通过调节微分头8使得导轨1倾斜一个微小的角度α，α的大小应当为arctanf。通过放置于气浮滑块2表面上的光学合像水平仪或其他测量倾角的设备可对α进行测量，并根据对α的测量结果不断调节微分头8，使得导轨1倾斜一个微小的角度α。

由于导轨1的倾斜，参与运动的零部件(气浮滑块2、卡箍4、针规7、高压气瓶5)受到的平行于导轨1的重力分力大小与气浮滑块2受到的摩擦阻力大小相等，因此补偿了气浮滑块2的内在摩擦阻力。

在完成对导轨1的倾角α的调节后，用手拨动气浮滑块2，使气浮滑块2接触弹簧10的自由端。此时，通过位移传感器6对针规7的测量，可测得针规7与位移传感器6的距离，记此时针规7与位移传感器6的距离为Δx₁。

然后，将需要测量的外部微力F作用于气浮滑块2上，该微力F的方向应平行于导轨1且方向向右。在外部微力F的作用下，参与运动的零部件(气浮滑块2、卡箍4、针规7、高压气瓶5)将向右运动。进而，气浮滑块2通过挤压弹簧10的自由端来压迫弹簧10。在弹簧10的弹性力和重力的共同作用下气浮滑块2将往复运动并最终将静止于某一位置，通过位移传感器6可获得此时的针规7与位移传感器6的距离，记为Δx₂。而Δx₂–Δx₁即为弹簧10的压缩量。

则被测的外部微力F可由胡克定律得到，即：

F＝k·Δx

其中，Δx＝Δx₂–Δx₁，k为弹簧10的刚度。

为进一步介绍本专利，下面给出一个具体算例：

设事先测得气浮滑块2的摩擦系数f＝0.005，弹簧10的刚度k＝20μN/μm。则需要通过调节微分头8使导轨1倾斜一个微小的角度α＝arctanf＝0.29°。假设当待测的外部微力F未作用于气浮滑块2的情况下，针规7与位移传感器6的距离Δx₁＝100μm；假设当外部微力F作用于气浮滑块2上后，针规7与位移传感器6之间的距离Δx₂＝101μm。则Δx＝Δx₂–Δx₁＝1μm即为外部微力F作用下弹簧10的压缩量。因此，外部微力F＝(101-100)*20＝20μN。

Claims (2)

1.一种气浮式微力测量装置,包括导轨(1)、气浮滑块(2)、支撑柱(3)、卡箍(4)、高压气瓶(5)、位移传感器(6)、针规(7)、微分头(8)、锁紧块(9)和弹簧(10)；其中，气浮导轨由导轨(1)和气浮滑块(2)组成；微分头(8)通过锁紧块(9)被固定在支撑柱(3)上，每个支撑柱(3)上固定有三个微分头(8)；微分头(8)起到支撑固定导轨(1)的作用，并且通过配合调节四个支撑柱(3)上的微分头(8)可以调节导轨(1)的位置与倾角；卡箍(4)将高压气瓶(5)与气浮滑块(2)固连在一起；同时高压气瓶(5)内装有高压气体，高压气体通过减压阀进入气浮滑块(2)，为气浮滑块(2)供气；弹簧(10)一端被固定在支撑柱(3)上，一端自由；在气浮滑块(2)受到平行于导轨(1)且方向向右的微小力后，气浮滑块(2)带动卡箍(4)、高压气瓶(5)以及针规(7)一起向右运动；进而气浮滑块(2)通过挤压弹簧(10)的自由端来压迫弹簧(10)；位移传感器(6)放置于地面，针规(7)固连在卡箍(4)上；通过位移传感器(6)对针规(7)的测量，可测得针规(7)与位移传感器(6)的距离。

2.一种对权利要求1所述的气浮式测量装置的摩擦力补偿方法，其特征在于，通过调节多个微分头(8)，导轨(1)将倾斜一个微小角度α，该倾角α可由放置于气浮滑块(2)表面上的光学合像水平仪或其他测量倾角的设备测得，而该微小角度α的大小可由式：α＝arctanf来确定，其中，f是事先测得的气浮滑块(2)的摩擦系数。

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