CN117890012A - 微小力值测量装置的不确定度确定方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种杠杆的微小力值测量不确定度确定方法及设备，所述测量装置包括杠杆支撑器、设置在杠杆支撑器上的杠杆，所述杠杆的长臂端部设置有激光位移传感器，所述杠杆的短臂端部设置有配重质量块，所述配重质量块用于放置砝码使得杠杆处于平衡状态，所述激光位移传感器用于测量杠杆处于平衡状态时的力值；所述方法包括：根据测量装置的结构确定激光位移传感器处产生力值相关的不确定度分量；计算所述不确定度分量；根据所述不确定度分量计算所述激光位移传感器处产生力值的测量不确定度。本发明可以微小力测量结果的可信度和精度。

Description

微小力值测量装置的不确定度确定方法及设备

技术领域

本发明涉及测量领域，具体涉及一种微小力值测量装置的不确定度确定方法及设备。

背景技术

杠杆微小力测量是指对施加在杠杆上的非常小的力进行精确测量的过程，其中杠杆被用作力的放大器。微小力值测量装置基于杠杆原理，通过调整杠杆长度、杠杆的支点位置以及施加的力的作用点位置来放大力的效果，使得测量微小力变得更加容易。

微小力值测量装置的精度可达1mN-1N，且测量灵敏度极高。在实际测量过程中，测量装置可能受到各种零部件参数的影响，对实际微小力值的大小有着不同的影响程度，现有技术中没有对这些参数对微小力值的影响类型、影响程度以及这些参数是否耦合、叠加所导致的微小力值的不确定度开展过研究，导致现有微小力值检测的测力机测量精度参差不齐。

发明内容

有鉴于此，本发明一方面提供了一种微小力值测量装置的不确定度确定方法，所述测量装置包括杠杆支撑器、设置在杠杆支撑器上的杠杆，所述杠杆的长臂端部设置有激光位移传感器，所述杠杆的短臂端部设置有配重质量块，所述配重质量块用于放置砝码使得杠杆处于平衡状态，所述激光位移传感器用于测量杠杆处于平衡状态时的力值；

所述方法包括：

根据测量装置的结构确定激光位移传感器处产生力值相关的不确定度分量；

计算所述不确定度分量；

根据所述不确定度分量计算所述激光位移传感器处产生力值的测量不确定度。

可选地，所述不确定度分量包括长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离的不确定度长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与砝码的距离的不确定度/>所述砝码重力测量引起的不确定度/>所述配重质量块引起的不确定度长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离的不确定度/>所述杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度/>

可选地，利用如下方式计算激光位移传感器处产生力值的测量不确定度：

其中，表示所述激光位移传感器处产生力值的测量不确定度，F_S表示所述砝码的重量，L_S表示所述杠杆支撑器的支点与砝码之间的距离，W_CT表示所述配重质量块的重量，L_W表示所述杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离，M_F表示所述杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩，L_T表示所述杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离。

可选地，计算长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离的不确定度包括：

计算制造误差引起的相对不确定度温度线性膨胀引起的相对不确定度/>杠杆端部挠曲变形导致的力值偏差ΔL_T；

利用ΔL_T中的至少一种计算/>

可选地，计算长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与砝码的距离的不确定度包括：

计算所述砝码处挠曲变形导致的力值偏差ΔL_S；

利用ΔL_S中的至少一种计算/>

可选地，计算所述砝码重力测量引起的不确定度包括：

计算相对标准不确定度为u_m、纬度引起的重力加速度不确定度u_g1、海拔引起的重力加速度不确定度u_g2、空气密度引起的不确定度u_ρ、砝码间引力引起的不确定度

利用u_m、u_g1、u_g2、u_ρ、中的至少一种计算/>

可选地，计算所述配重质量块引起的不确定度包括：

根据空气密度ρ、配重质量块密度ρ_w计算

可选地，计算长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离的不确定度包括：

利用中的至少一种计算/>

可选地，计算所述杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度包括：

计算所述杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩的平均值和标准差σ；

根据所述平均值和标准差σ计算/>

本发明另一方面还提供了一种微小力值测量不确定度确定设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行上述的方法。

根据本发明提供的微小力值测量装置的不确定度确定方法及设备，通过对影响测量装置中杠杆平衡测量结果的各种不确定度进行分析，可以确定杠杆平衡状态下激光位移传感器处产生力值的测量不确定度，可以评估激光位移传感器对杠杆平衡测量结果的贡献，进而确定测量误差的来源和影响大小，可以指导对测量装置的优化和改进，提高微小力测量结果的可信度和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的微小力值测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的微小力值测量装置的不确定度确定方法的流程图；

图3为本发明实施例中测量装置的杠杆平衡的受力关系图；

图4为本发明实施例中测量装置的水平仪误差导致的杠杆不平衡的受力关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为本发明实施例中的微小力值测量装置的结构示意图，测量装置包括杠杆支撑器1、设置在杠杆支撑器上的杠杆2，杠杆的长臂端部设置有激光位移传感器3，杠杆的短臂端部设置有配重质量块4，配重质量块用于放置砝码使得杠杆处于平衡状态，激光位移传感器用于测量杠杆处于平衡状态时的力值。

具体地，测量装置的杠杆支撑器对杠杆的支点不在杠杆重心位置，因此在初始状态时，杠杆受到自重和杠杆摩擦力的影响，会导致杠杆向力臂长的一侧倾斜，所以为了保持杠杆处于平衡状态，则在杠杆的短臂端部设置配重质量块，一方面可以消除杠杆自重和摩擦力的影响，另一方面可以放置砝码，同时在杠杆的长臂端部设置激光位移传感器，可以调节激光位移传感器在杠杆上的位置或角度使杠杆处于平衡状态，此时有G·L₀+M_F＝W_CT·L_w，其中，G表示杠杆重量，L₀表示杠杆长臂长度，M_F表示杠杆与支点接触处的摩擦力产生的力矩，W_CT表示配重质量块的重量，L_w表示杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离，后续可以在配重质量块上增加一定数量的砝码，并保持杠杆平衡，根据读取的位移传感器的数据获得激光位移传感器处产生的力值。

如图2所示，本发明实施例提供一种微小力值测量装置的不确定度确定方法，包括：

S11，根据测量装置的结构确定激光位移传感器处产生力值相关的不确定度分量。

S12，计算不确定度分量。

S13，根据不确定度分量计算激光位移传感器处产生力值的测量不确定度。

本实施例通过对影响测量装置中杠杆平衡测量结果的各种不确定度进行分析，可以确定杠杆平衡状态下激光位移传感器处产生力值的测量不确定度，可以评估激光位移传感器对杠杆平衡测量结果的贡献，进而确定测量误差的来源和影响大小，可以指导对测量装置的优化和改进，提高微小力测量结果的可信度和精度。

在一个实施例中，不确定度分量包括长度误差引起的杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离的不确定度长度误差引起的杠杆支撑器的支点与砝码的距离的不确定度/>砝码重力测量引起的不确定度/>配重质量块引起的不确定度/>长度误差引起的杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离的不确定度/>杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度/>

在一个实施例中，上述步骤S13计算激光位移传感器处产生力值的测量不确定度具体为：

其中，表示激光位移传感器处产生力值的测量不确定度，F_S表示砝码的重量，L表示杠杆支撑器的支点与砝码之间的距离，W_CT表示配重质量块的重量，L_W表示杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离，M_F表示杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩，L_T表示杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离。

具体地，根据图3的受力模型可以得到：

F_T·L_T＝F_S·L_S-W_CT·L_W+M_F

其中，F_T表示激光位移传感器处产生的力值。

利用该公式和激光位移传感器处产生力值相关的不确定度分量计算得到激光位移传感器处产生力值的测量不确定度。

进一步地，计算上述的摩擦力矩M_F包括：首先杠杆的长臂端部不设置激光位移传感器，只在杠杆的短臂端部设置配重质量块，此时由于杠杆力臂不等，且杠杆的转矩不为零，导致杠杆的单端处于倾斜状态，然后在配重质量块上增加砝码，即增加杠杆的短臂侧的力值和转矩，利用水平仪观测杠杆处于水平状态时，记录杠杆短臂侧的配重为W1，该状态下，配重产生的扭矩近似等于杠杆自重的扭矩，继续增加杠杆短臂侧的配重，在水平仪观测到即将出现角度偏差的状态(即将超过水平状态)时，记录杠杆短臂侧的配重为W2，该状态下，配重近似等于杠杆自重的扭矩+最大静摩擦产生的摩擦力矩，因此摩擦力矩M_F＝(W2-W1)×L，其中，L为杠杆总长度。

在一个实施例中，上述步骤S12中计算长度误差引起的杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离的不确定度包括：计算制造误差引起的相对不确定度/>温度线性膨胀引起的相对不确定度/>杠杆端部挠曲变形导致的力值偏差ΔL_T；利用/>ΔL_T中的至少一种计算/>

具体地，长度误差主要来源于由于制造引起的几何误差和由于温度引起的线膨胀误差，其中，由于制造误差引起的相对不确定度由于温度线性膨胀引起的相对不确定度/>α表示线膨胀系数，ΔT表示温度变化量，此外还包括在砝码加载到一定重量时，砝码处的端部会受力产生挠曲变形，从而影响水平度和力臂大小，设砝码处施加的最大力值为F，则砝码处产生的形变量为/>E表示杨氏模量，I表示转动惯量，端部位置产生的形变量为/>由于该形变量导致的力值偏差为因此，利用/>ΔL_T中的至少一种计算/>得到：

在一个实施例中，上述步骤S12中计算长度误差引起的杠杆支撑器的支点与砝码的距离的不确定度包括：计算砝码处挠曲变形导致的力值偏差ΔL_S；利用/>ΔL_S中的至少一种计算/>

具体地，根据砝码处产生的形变量x₁计算砝码处挠曲变形导致的力值偏差ΔL_S，得到因此，利用/>ΔL_S中的至少一种计算/>得到：

在一个实施例中，上述步骤S12中计算砝码重力测量引起的不确定度u_FS包括：计算相对标准不确定度为u_m、纬度引起的重力加速度不确定度u_g1、海拔引起的重力加速度不确定度u_g2、空气密度引起的不确定度u_ρ、砝码间引力引起的不确定度利用u_m、u_g1、u_g2、u_ρ、中的至少一种计算/>

具体地，砝码重量F_S＝mg，则

其中，砝码质量m测量不确定度可根据实物校准结果与三维模型分析确定，不确定度实际使用时不超过标准E2等级，即相对标准不确定度为u_m＝10^-6。

根据绝对重力法测量，重力加速度测量的相对不确定度为2×10^-7，建立线性模型，计算从0到最高位置的重力加速度，重力加速度计算方法为：

g＝9.7803(1+0.0053024sin²λ-0.000005sin²2λ)

其中，λ表示当地的纬度值，纬度偏差为1°，当地的纬度取北纬40°，此时重力加速度为9.80168，则由于纬度引起的最大重力加速度偏差为0.00089，则由于纬度引起的重力加速度不确定度为

重力加速度与海拔的关系为：每增加1km海拔，重力加速度减小0.03，当地海拔估计为10m，则由于海拔引起的重力加速度不确定度为

空气密度引起的不确定度u_ρ为

其中，ρ_w表示配重质量块的密度。

依据万有引力定律，砝码间引力引起的不确定度为

其中，m₁和m₂均为砝码质量，x表示两砝码之间的距离。

因此，利用u_m、u_g1、u_g2、u_ρ、中的至少一种计算/>得到：

在一个实施例中，上述步骤S12中计算配重质量块引起的不确定度包括：根据空气密度ρ、配重质量块密度ρ_w计算/>

具体地，配重质量块引起的不确定度主要与空气密度有关，根据空气密度ρ、配重质量块密度ρ_w计算得到：

在一个实施例中，上述步骤S12中计算长度误差引起的杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离的不确定度包括：利用/>中的至少一种计算/>

具体地，根据计算/>得到：

在一个实施例中，上述步骤S12中计算杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度包括：计算杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩的平均值/>和标准差σ；根据平均值/>和标准差σ计算/>

具体地，杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度主要与水平仪的分辨力有关，由于支点摩擦是通过试验数据得出，可通过重复性测量方法获取，通过上述试验方案，对支点摩擦进行多次重复性测量，分辨计算出在恰好达到平衡和平衡状态被破坏时的支点摩擦力矩，设测量次数为n，多次测量的平均值为标准差为σ，则杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度可表示为

在另一个实施例中，除了上述的不确定度，不确定度分量还可以包括水平仪的灵敏度引起的不确定度u_F，如前所述，在设置配重过程中，通过水平仪将杠杆调整为水平状态，然而，由于水平仪自身灵敏度和分辨力的限制，杠杆不一定处于完全水平状态，存在角度偏差，如图4所示，则受力模型得到的公式可以修正为

F′_T·L_Tcosα＝F_S·L_Scosα-W_CT·L_Wcosα+M_f

其中，F′_T表示存在角度偏差下的激光位移传感器处产生的力值，α为杠杆与水平状态之间角度，M_f表示存在角度偏差下的杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩。

因此，水平仪的灵敏度引起的不确定度为

本实施例在上述确定的影响杠杆平衡的不确定度分量基础上，还考虑到水平仪的灵敏度引起的不确定度，进一步提高了提高微小力测量结果的可信度和精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种微小力值测量装置的不确定度确定方法，其特征在于，所述测量装置包括杠杆支撑器、设置在杠杆支撑器上的杠杆，所述杠杆的长臂端部设置有激光位移传感器，所述杠杆的短臂端部设置有配重质量块，所述配重质量块用于放置砝码使得杠杆处于平衡状态，所述激光位移传感器用于测量杠杆处于平衡状态时的力值；

所述方法包括：

根据测量装置的结构确定激光位移传感器处产生力值相关的不确定度分量；

计算所述不确定度分量；

根据所述不确定度分量计算所述激光位移传感器处产生力值的测量不确定度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不确定度分量包括长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离的不确定度长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与砝码的距离的不确定度/>所述砝码重力测量引起的不确定度/>所述配重质量块引起的不确定度/>长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离的不确定度/>所述杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度/>

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用如下方式计算激光位移传感器处产生力值的测量不确定度：

其中，表示所述激光位移传感器处产生力值的测量不确定度，F_S表示所述砝码的重量，L_S表示所述杠杆支撑器的支点与砝码之间的距离，W_Ct表示所述配重质量块的重量，L_W表示所述杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离，M_F表示所述杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩，L_T表示所述杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与激光位移传感器的距离的不确定度包括：

计算制造误差引起的相对不确定度温度线性膨胀引起的相对不确定度/>杠杆端部挠曲变形导致的力值偏差ΔL_T；

利用ΔL_T中的至少一种计算/>

5.根据权利要求2或3中所述的方法，其特征在于，计算长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与砝码的距离的不确定度包括：

计算所述砝码处挠曲变形导致的力值偏差ΔL_S；

利用ΔL_S中的至少一种计算/>

6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算所述砝码重力测量引起的不确定度包括：

计算相对标准不确定度为u_m、纬度引起的重力加速度不确定度u_g1、海拔引起的重力加速度不确定度u_g2、空气密度引起的不确定度u_ρ、砝码间引力引起的不确定度

利用u_m、u_g1、u_g2、u_ρ、中的至少一种计算/>

7.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，计算所述配重质量块引起的不确定度包括：

根据空气密度ρ、配重质量块密度ρ_w计算

8.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算长度误差引起的所述杠杆支撑器的支点与配重质量块的距离的不确定度包括：

利用中的至少一种计算/>

9.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算所述杠杆支撑器的支点摩擦引起的不确定度包括：

计算所述杠杆支撑器的支点摩擦产生的力矩的平均值和标准差σ；

根据所述平均值和标准差σ计算/>

10.一种杠杆的微小力值测量不确定度确定设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-9中任意一项所述的方法。