CN114964588B - 一种扭摆式微推力测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种扭摆式微推力测量装置和方法，装置包括：杠杆、扭转元件和光测量组件；所述杠杆水平放置，所述杠杆的一端固定设有能够接收微推力的连接部，以使所述杠杆在微推力的作用下摆动；所述扭转元件垂直固定设在所述杠杆的支点处，以使所述扭转元件在所述杠杆摆动时扭转；所述光测量组件包括光源、反射部件和光接收部件；所述反射部件上设有光反射面，以用于将所述光源的光线反射至所述光接收部件；所述反射部件固定设在所述杠杆的支点处，以使所述光反射面在所述扭转元件扭转时转动，进而改变所述光线的入射角。采用本申请能够方便有效地测量微推力。

Description

一种扭摆式微推力测量装置和方法

技术领域

本申请涉及微推力测量技术领域，特别是涉及一种扭摆式微推力测量装置和方法。

背景技术

随着微推力测量技术的发展，微推力量级通常在毫牛及以下，从而对微推力测量提出了很高的要求。

现有基于扭摆原理将微小力学量转化为形变量进行测量的装置较多，但大多采用扭丝类设计或枢轴式设计。其中，多丝、单丝扭摆结构的扭转元件本身较为脆弱易出现损坏失效的情况且受到环境影响较大，枢轴式扭摆结构当中由于枢轴的制作工艺难度较大，目前主要依赖国外进口。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种扭摆式微推力测量装置和方法，能够方便有效地测量微推力。

一种扭摆式微推力测量装置，包括：杠杆、扭转元件和光测量组件；

所述杠杆水平放置，所述杠杆的一端固定设有能够接收微推力的连接部，以使所述杠杆在微推力的作用下摆动；

所述扭转元件垂直固定设在所述杠杆的支点处，以使所述扭转元件在所述杠杆摆动时扭转；

所述光测量组件包括光源、反射部件和光接收部件；所述反射部件上设有光反射面，以用于将所述光源的光线反射至所述光接收部件；

所述反射部件固定设在所述杠杆的支点处，以使所述光反射面在所述扭转元件扭转时转动，进而改变所述光线的入射角。

在其中一个实施例中，所述扭转元件为O型铍铜管或C型铍铜管。

在其中一个实施例中，所述杠杆为等臂杠杆。

在其中一个实施例中，所述光测量组件还包括：第一平面镜和第二平面镜；

所述第一平面镜、所述第二平面镜相对平行设置，且均与所述光反射面的初始位置平行设置；

所述光线先经反射部件反射到第一平面镜或第二平面镜形成第一光路，然后在所述第一平面镜和所述第二平面镜之间多次反射，最后射入所述光接收部件形成第二光路。

在其中一个实施例中，所述光测量组件还包括：第一凸透镜和/或第二凸透镜；

所述第一凸透镜固定设在所述第一光路中并折射所述光线，所述第一凸透镜与所述反射部件的距离为第一凸透镜的焦距；

所述第二凸透镜固定设在所述第二光路中并折射所述光线，所述第二凸透镜与所述光接收部件的距离为第二凸透镜的焦距。

在其中一个实施例中，还包括：标定组件；所述标定组件包括：天平、线圈以及电磁铁；所述线圈位于所述电磁铁产生的磁场中；

当进行标定时，所述线圈设在所述天平上；

当进行微推力测量时，所述线圈设在所述杠杆的另一端。

在其中一个实施例中，还包括：微推力器；

所述微推力器固定设在所述杠杆的连接部上，以提供微推力。

在其中一个实施例中，还包括：配重；

所述配重可拆卸地固定设在所述杠杆的另一端，且所述配重与所述支点的距离大于所述标定组件与所述支点的距离。

一种扭摆式微推力测量方法，包括：

多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力和光接收部件中的光位移，得到力与光位移的对应关系；其中，每一次的电流值各不相同；

利用微推力器为杠杆施加任意一个微推力，记录当前光位移；

将当前光位移与所述对应关系相匹配，得到任意微推力的值。

在其中一个实施例中，多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力和光接收部件中的光位移，得到力与光位移的对应关系包括：

将线圈放置于天平上，多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力，得到电流与力的关系；将线圈放置于杠杆的另一端，多次向线圈中通入恒定的电流，记录光接收部件中的光位移，得到电流与光位移的关系；

根据电流与力的关系以及电流与光位移的关系，得到力与光位移的对应关系。

上述扭摆式微推力测量装置和方法，在杠杆的一端施加不同的微推力时，扭转元件随着杠杆的扭摆发生相应的形变，通过设置在扭转元件上的反射部件，可以将光源的光反射至光接收部件上，不同的形变对应不同的光位移，通过光位移的值可以得到施加的微推力的值，从而完成微推力的测量。扭转元件的形变明显且形变量大，因此可以实现微推力的精确测量；本装置结构简单、操作方便、制作容易、实用性佳，且受环境影响小、不易损坏失效，能够方便有效地测量微推力。

附图说明

图1为一个实施例中扭摆式微推力测量装置的示意图；

图2为一个实施例中扭摆式微推力测量装置的立体示意图；

图3为另一个实施例中扭摆式微推力测量装置的示意图；

图4为一个实施例中磁铁固定组件的示意图；

图5为一个实施例中扭摆式微推力测量方法的流程图；

图6为一个实施例中杠杆摆角随时间的变化曲线图；

图7为一个实施例中反射部件的示意图；

图8为一个实施例中几何关系示意图；

图9为一个实施例中的光路示意图。

附图编号：

杠杆1，扭转元件2，光源31，反射部件32，光接收部件33，第二平面镜35，标定组件4，配重5，微推力器6，立架71，第一支架72，第二支架73，限位器74，线圈75。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1至图3所示，本申请提供一种扭摆式微推力测量装置，在一个实施例中，包括：杠杆1、扭转元件2和光测量组件；

所述杠杆1水平放置，所述杠杆1的一端固定设有能够接收微推力的连接部，以使所述杠杆1在微推力的作用下摆动；

所述扭转元件2垂直固定设在所述杠杆1的支点处，以使所述扭转元件2在所述杠杆1摆动时扭转；

所述光测量组件包括光源31、反射部件32和光接收部件33；所述反射部件32上设有光反射面，以用于将所述光源31的光线反射至所述光接收部件33；

所述反射部件32固定设在所述杠杆1的支点处，以使所述光反射面在所述扭转元件2扭转时转动，进而改变所述光线的入射角。

在本实施例中，杠杆1是一个水平放置的摆动横梁，通过扭转元件2固定在台架上，是微推力的响应机构，施加于连接部的未知微推力使得杠杆1在水平面上摆动产生偏转并带动扭转元件2发生扭转，不同的力作用下，杠杆1的扭转幅度不同。杠杆1的扭摆方向是可以预知的，稳定，有利于测量。优选地，杠杆1为等臂杠杆。等臂杠杆的设置没有放大输入，不易倾倒，比较稳定，误差小，有利于生产，也有利于标定工作的开展。

台架包括：底座、立柱与支架；底座固定在实验台上，立柱的底部垂直固定在底座上，支架为一个水平的横梁，一端与立柱的顶部固定相连，另一端固定扭转元件的顶部，扭转元件的底部固定设在底座上，从而使扭转元件与底座垂直。底座、立柱与支架均是刚性部件。

扭转元件2采用容易发生形变的材料制成，在微推力或微小力作用下也可以产生弹性形变，优选为铍铜管，铍铜是以铍作为主要合金组元的一种无锡青铜，拥有很高的弹性极限和良好的导电性，形变灵敏且性能稳定。本发明对铍铜管的形状不做限制，具体可以是O型铍铜管或C型铍铜管，优选为C型铍铜管，C型的铍铜管因为有缺口的存在，所以更容易发生形变，且形变量大，更有利于微推力的测量，可以提高微推力测量的精度。采用铍铜C型管作为弹性扭转元件时，其测量误差1毫牛时约5％，2毫牛时约3％，3毫牛及以上时约2％。

光源31可以是任意可以发出光线的装置或结构，如激光器、激光灯等，具体可以采用氦氖激光器。光源31可以采用现有技术固定在需要的高度或者不同的角度，以使光线射入反射部件。

反射部件32可以是平面反射镜，与扭转元件同步偏转，从而改变反射光的方向。反射部件31采用现有技术固定在杠杆1上，如胶粘。

光接收部件33可以是PSD光电探测器或者光敏位移传感器，接收光信号并转换为电信号，PSD光电探测器外接计算机等设备，对电信号加以识别和分析，可以得到光位移的信息。

需要说明：反射部件32的光反射面与杠杆的转轴共面，光接收部件33的感光面与反射光线垂直，不考虑反射部件32的厚度和安装误差。

本实施例的工作过程为：光源发射出测量光线，成一定角度打到固定在杠杆上的反射部件，光反射面反射光线后射向光接收部件；当杠杆受到水平方向的力或冲量的作用时，杠杆带动扭转元件发生扭转，此时反射光线也随之偏转，在光接收部件的感光面上的光斑产生相应的光位移，该光位移可通过光接收部件测量得到，从而得到微推力大小。

上述扭摆式微推力测量装置和方法，在杠杆的一端施加不同的微推力时，扭转元件随着杠杆的扭摆发生相应的形变，通过设置在扭转元件上的反射部件，可以将光源的光反射至光接收部件上，不同的形变对应不同的光位移，通过光位移的值可以得到施加的微推力的值，从而完成微推力的测量。扭转元件的形变明显且形变量大，因此可以实现微推力的精确测量；本装置结构简单、操作方便、制作容易、实用性佳，且受环境影响小、不易损坏失效，能够方便有效地测量微推力。

在其中一个实施例中，所述光测量组件还包括：第一平面镜和第二平面镜35；

所述第一平面镜、所述第二平面镜35相对平行设置，且均与所述光反射面的初始位置平行设置；

所述光线先经反射部件32反射到第一平面镜或第二平面镜35形成第一光路，然后在所述第一平面镜和所述第二平面镜35之间多次反射，最后射入所述光接收部件33形成第二光路。

优选地，以第一平面镜作为光反射部件，第一平面镜即光反射面。

光反射面的初始位置是指杠杆未受干扰即处于静止状态时的位置。

通过第一平面镜和第二平面镜35的设置，可以延长光路，增加光线的反射次数，并放大扭转角度，当第一平面镜发生转动而与第二平面镜之间存在夹角时，夹角随着光线的每一次反射产生放大作用，致使最终出射的偏移量更大故而起到对微小的角度偏移量的放大的作用，从而将微推力进行放大，提高最小测量值，进一步提高微推力的测量分辨率、精度以及准确率。

在其中一个实施例中，所述光测量组件还包括：第一凸透镜和/或第二凸透镜；

所述第一凸透镜固定设在所述第一光路中并折射所述光线，所述第一凸透镜与所述反射部件的距离为第一凸透镜的焦距；

所述第二凸透镜固定设在所述第二光路中并折射所述光线，所述第二凸透镜与所述光接收部件的距离为第二凸透镜的焦距。

在光杆杆测量过程中，光线会经过多次反射，射入第一平面镜或第二平面镜时，以及最终射入光接收元件时，都有可能发生偏移而使第一平面镜或第二平面镜、光接收装置可能无法接收到反射光时，位于第一光路中的第一凸透镜将斜向光转成平行光，以保证第二光路中的光尽可能水平，位于第二光路中的第二凸透镜将偏离原来水平位置的平行光转为斜向光，从而保证打在光接收装置的中心，保证接收效果，从而实现光路的稳定，提高光杆杆测量的可靠性和稳定性。

优选地，第一凸透镜所在平面与第一光路垂直，第二凸透镜所在平面与第二光路垂直。

在本实施例中，第一凸透镜和第二凸透镜所在的平面分别与第一光路和第二光路垂直，从而可以最大程度地避免光线的偏移。

在其中一个实施例中，还包括：标定组件4；所述标定组件4包括：天平、线圈75以及电磁铁；所述线圈位于所述电磁铁产生的磁场中；

当进行标定时，所述线圈75设在所述天平上；

当进行微推力测量时，所述线圈75设在所述杠杆的另一端。

如图4所示，在本实施例中，磁铁固定组件包括：立架71、第一支架72、第二支架73以及限位器74；立架上固定设有两个平行的凹槽，且凹槽处于竖直方向，第一支架72与第二支架73均设有定位孔，并通过螺栓螺母的配合设在立架上，螺栓的内径小于凹槽的宽度且螺栓的外径和螺母的外径均大于凹槽的宽度；第一支架72和第二支架73的横截面均呈C型结构，磁铁插入C型结构的凹槽中，磁铁可以采用永磁体，第一支架固定一个永磁体，第二支架固定另一个永磁体；限位器设在第一支架与第二支架中间，以限定永磁体的位置，限位器可以采用长方体结构，并采用螺栓螺母固定在立架上；线圈固定设在第一支架与第二支架之间，以位于磁铁产生的磁场中。

磁铁固定组件可以调整磁铁的高度，从而与杠杆的高度相配合。

当然，磁铁还可以采用C型的永磁体，也可以采用现有技术中的其他方法来固定，在此不再赘述。

本实施例使用电磁标定的方法，电流可控，精度高，反应快。

在其中一个实施例中，还包括：微推力器6；

所述微推力器6固定设在所述杠杆的连接部上，以提供微推力。

在其中一个实施例中，还包括：配重5；

所述配重5可拆卸地固定设在所述杠杆的另一端，且所述配重与所述支点的距离大于所述标定组件与所述支点的距离。

如图5所示，本申请还提供一种扭摆式微推力测量方法，在一个实施例中，包括以下步骤：

步骤502：多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力和光接收部件中的光位移，得到力与光位移的对应关系；其中，每一次的电流值各不相同。

具体的：将线圈放置于天平上，多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力，得到电流与力的关系；将线圈放置于杠杆的另一端，多次向线圈中通入恒定的电流，记录光接收部件中的光位移，得到电流与光位移的关系；根据电流与力的关系以及电流与光位移的关系，得到力与光位移的对应关系。

其中，通电导线圈作为已知力的产生机构，线圈位于电磁铁产生的磁场中，通过控制线圈施加的电流大小，改变线圈的磁通量，进而产生不同大小的力，利用精密天平等设备对该力的数值进行测量，即可计算拟合得到线圈电流与响应力之间的关系。同理，将线圈设在杠杆上，并位于电磁铁产生的磁场中，可计算拟合得到线圈电流与光位移之间的关系。

步骤504：利用微推力器为杠杆施加任意一个微推力，记录当前光位移。

步骤506：将当前光位移与所述对应关系相匹配，得到任意微推力的值。

在已知力与光位移的对应关系的情况下，通过当前光位移可以反推其对应的未知微推力的大小。

在本实施例中，微推力测量的原理具体如下：

设逆转元件采用C型铍铜管，采用第一平面镜和第二平面镜的反射方式，第一平面镜作为反射部件。

各部件均为刚体(除扭转元件外)且整体的转动惯量为J，推力力矩M1的作用使杠杆顺时针产生微小扭转角θ，同时C型管产生反作用力矩M₂，杠杆最终在M₁和M₂的共同作用下往返摆动。

推力力矩M₁＝Fl，式中F为作用于杠杆的微推力，l为推力相对于杠杆支点的力臂。设C形管截面极惯性矩为J_C，C形管总长为L，装置总重力为G，由扭转而产生的力矩为：

竖直方向重力、支持力等对扭摆运动无影响，这里不做考虑。

假设空气摩擦阻力系数为n，由刚体定轴转动微分方程得：

-Jθ"＝-M₁+M₂+nθ′

求解上式可得杠杆的扭转运动方程：

杠杆扭转运动加速度方程：

令θ"＝0，可得杠杆平衡位置的摆角为：

在装置参数以及推力已知情况下，根据上式可以得到杠杆摆角随时间的变化曲线如图6所示。

图6说明随着时间的增加，杠杆将趋于平衡位置，摆角趋于θ₀；在任何时刻，杠杆平衡位置的摆角都相同。所以，对于固定的弹性扭摆式微推力测量系统，θ₀仅和F成线性关系，只要能测得θ₀就能测得F。

由激光器、第一平面镜和PSD组成的光测量组件可以把θ₀转化为光点坐标x_p，从而方便测量推力，其光路示意如图7所示。其中，a表示平衡位置，b表示测量位置。

激光射在圆形平面镜的中心，平面镜与PSD平面平行，PSD的x轴平行于地面，现有几何关系如图8所示。AB为第一平面镜，CP为第一平面镜初始位置的中垂线，FG为PSD，SE为激光，O为扭转元件的中心，CD为扭转元件外边缘的一部分。

lc为PSD与第一平面镜的垂直距离，α₀为第一平面镜初始位置中垂线与激光夹角，r为c形管的半径，视第一平面镜距c形管中心距离为r，θ为第一平面镜偏转角度，激光反射后在PSD上的位移为xp：

其中r、θ为小量，可化简为：

x_p＝[tan(2θ₀+α₀)-tanα₀]·l_c

对tan进行一阶泰勒展开：

对于双平面镜放大机构，其光路如图9所示。

由于推力器产生的微弱推力导致扭摆偏转的角度θ非常小，因此忽略由于第一平面镜偏转造成激光位置在y方向的偏移量，由几何关系可近似获得由于第一平面镜偏转作用导致激光束在第二平面镜上的位移量：

再次反射后在光电位置传感器(PSD)上的激光位置偏移量：

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种扭摆式微推力测量装置，其特征在于，包括：杠杆、扭转元件和光测量组件；

所述杠杆水平放置，所述杠杆的一端固定设有能够接收微推力的连接部，以使所述杠杆在微推力的作用下摆动；

所述扭转元件垂直固定设在所述杠杆的支点处，以使所述扭转元件在所述杠杆摆动时扭转；

所述光测量组件包括光源、反射部件和光接收部件；所述反射部件上设有光反射面，以用于将所述光源的光线反射至所述光接收部件；

所述反射部件固定设在所述杠杆的支点处，以使所述光反射面在所述扭转元件扭转时转动，进而改变所述光线的入射角；

所述扭转元件为O型铍铜管或C型铍铜管；

所述光测量组件还包括：第一平面镜和第二平面镜；所述光线先经反射部件反射到第二平面镜形成第一光路，然后在所述第一平面镜和所述第二平面镜之间多次反射，最后射入所述光接收部件形成第二光路；所述第一平面镜为长度方向与杠杆一致的矩形平面镜，以所述第一平面镜作为光反射部件；

还包括：标定组件；所述标定组件包括：天平、线圈以及电磁铁；所述线圈位于所述电磁铁产生的磁场中；磁铁固定组件包括：立架、第一支架、第二支架以及限位器；第一支架与第二支架设在立架上，第一支架和第二支架的横截面均呈C型结构，磁铁插入C型结构的凹槽中；限位器设在第一支架与第二支架中间，以限定磁铁的位置；线圈固定设在第一支架与第二支架之间，以位于磁铁产生的磁场中；

当进行标定时，所述线圈设在所述天平上；

当进行微推力测量时，所述线圈设在所述杠杆的另一端；

忽略由于第一平面镜偏转造成激光位置在y方向的偏移量，激光束在第二平面镜上的位移量：

光接收部件是PSD光电探测器或者光敏位移传感器，光电位置传感器上的激光位置偏移量：

式中，x₁为激光束在第二平面镜上的位移量，x₂为光电位置传感器上的激光位置偏移量，l₁为第二平面镜与平衡位置的距离，l₂为光电位置传感器与平衡位置的距离，β为激光束入射角，θ为微推力导致扭摆偏转的角度，仅和微推力成线性关系。

2.根据权利要求1所述的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述杠杆为等臂杠杆。

3.根据权利要求2所述的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述光测量组件还包括：第一凸透镜和/或第二凸透镜；

所述第一凸透镜固定设在所述第一光路中并折射所述光线，所述第一凸透镜与所述反射部件的距离为第一凸透镜的焦距；

所述第二凸透镜固定设在所述第二光路中并折射所述光线，所述第二凸透镜与所述光接收部件的距离为第二凸透镜的焦距。

4.根据权利要求1至3任一项所述的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，还包括：微推力器；

所述微推力器固定设在所述杠杆的连接部上，以提供微推力。

5.根据权利要求1至3任一项所述的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，还包括：配重；

所述配重可拆卸地固定设在所述杠杆的另一端，且所述配重与所述支点的距离大于所述标定组件与所述支点的距离。

6.一种扭摆式微推力测量方法，采用权利要求1至5任一项所述的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，包括：

多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力和光接收部件中的光位移，得到力与光位移的对应关系；其中，每一次的电流值各不相同；

利用微推力器为杠杆施加任意一个微推力，记录当前光位移；

将当前光位移与所述对应关系相匹配，得到任意微推力的值。

7.根据权利要求6所述的扭摆式微推力测量方法，其特征在于，多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力和光接收部件中的光位移，得到力与光位移的对应关系包括：

将线圈放置于天平上，多次向线圈中通入恒定的电流，记录天平上的力，得到电流与力的关系；将线圈放置于杠杆的另一端，多次向线圈中通入恒定的电流，记录光接收部件中的光位移，得到电流与光位移的关系；

根据电流与力的关系以及电流与光位移的关系，得到力与光位移的对应关系。