CN201477009U - 微小力值测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种微小力值测量装置，包括带滚珠丝缸的立柱、螺母和连接板、步进电机及其控制器、动横梁、压电陶瓷力值加载模块及其运动控制器、精密力测量装置、底座和电子计算机，其中，步进电机与滚珠丝缸直接连接，动横梁通过螺母和转接板也与滚珠丝缸连接，压电陶瓷力值加载模块安装在动横梁下方，带滚珠丝缸的立柱安装在底座上，精密力测量装置也放置在底座上。特征在于：在动横梁的下方安装一个基于压电陶瓷原理的直线驱动力值加载模块，并与运动控制器连接，压电陶瓷控制器和电子计算机相连。本实用新型与现有装置相比实现了1mN～2N范围内微小力值的测量。

Description

微小力值测量装置

技术领域

本实用新型是一种微小力值测量装置，属于计量测试技术领域。

背景技术

力值是力学计量领域的基础量值之一。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，在民用工业如汽车工业等制造工业中也扮演着重要的角色。近些年来，随着纳米计量和微纳米机电系统等相关专业的快速发展，在其科研和生产中进行了大量的小力值的测量，如纳米硬度、薄膜机械性能测试、纳米材料弹性模量测试等试验过程中，都需要对微小力值进行准确的测试，才能保证试验结果的准确。在纳米硬度的测量中，其力值最大仅为10mN，在一些硅薄膜、复合硅薄膜等薄膜材料的机械性能测试过程中使用的负荷传感器，其量程上限一般不超过4.5N，其分辨率可达到0.005N(5mN)，力值测量误差一般要求在1％以内。这么小的力值测量的准确与否直接影响着科研和生产过程，影响武器型号的顺利完成，这就对小力值的计量提出了新的更高的要求。

目前常见的力标准装置有静重式结构的力标准机、杠杆放大结构的力标准机和液压放大结构的力标准机。传统的力值加载技术选用滚动导轨或滑动导轨构成定位机构，由于存在着大的机械间隙、摩擦力及爬行现象，所以其运动精度、定位精度很难以达到纳米级。高精密的滚珠丝杠副的相邻螺距误差约为0.5μm～1μm，螺距累积误差为(3μm～5μm)/300mm，其定位精度为10μm/300mm，难以满足需要。由于结构和功能的限制，这些校准设备的力值范围均不能实现1N以下量程范围的力值校准。目前常用于较小量程范围的力值校准的设备为静重式机构的力标准机，而这类设备中均需要有反向器机构，且这一机构需作为装置的第一级力值，而由于结构和材料的限制，这一级力值不可能做到很小，所以当力值足够小时，此种结构不再具有可行性。对于杠杆放大结构的力标准机和液压放大结构的力标准机均适用于较大力值校准。

发明内容

本实用新型正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种微小力值测量装置，它利用压电陶瓷的逆压电效应可产生微位移的特性，压电陶瓷在电压控制下可获得较高的位移分辨力，起位移控制精度可以达到±5nm，而且其频率响应高，动态响应快，且结构简单，受外力干扰小，能够提供推动纳米定位机构的力，并保证足够的动刚度。其特性正好可以克服传统丝杠螺母加载机构的缺点，适用于作为微小力值的加载机构。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种微小力值测量装置，包括带滚珠丝杠的立柱、螺母、转接板、动横梁、步进电机及其控制器、精密力测量装置、压电陶瓷模块及其控制器、底座和电子计算机。其中，步进电机与滚珠丝缸直接连接，动横梁通过螺母和转接板也与滚珠丝缸连接，压电陶瓷力值加载模块安装在动横梁下方，带滚珠丝缸的立柱安装在底座上，精密力测量装置也放置在底座上。特征在于：在动横梁的下方安装一个基于压电陶瓷原理的直线驱动力值加载模块，并与运动控制器连接，压电陶瓷控制器和电子计算机相连。

压电陶瓷是具有压电效应的压电材料。在经过极化处理的陶瓷体上沿其极化方向施加一个机械力(或释放压力)时，陶瓷体产生充(放)电现象，即正压电效应；反之，若在陶瓷体上施加一个与极化方向相同(或相反)的电场，则会引起陶瓷片伸长(或缩短)的形变，即逆压电效应。

压电效应和逆压电效应可表示为

D＝dT+ε^TE    (1)

X＝x^ET+dE     (2)

式中D为电位移；d为压电常数；X为应变；ε^T为自由介电常数；T为应力；E为电场强度；x^E为弹性常数。

式(1)表示正压电效应，式(2)表示逆压电效应，利用压电陶瓷的逆压电效应可产生微位移。

本实用新型利用压电陶瓷的逆压电效应可产生微位移的特性，压电陶瓷在电压控制下可获得较高的位移分辨力，其频率响应高、动态响应快、且结构简单、受外力干扰小，能够提供推动纳米定位机构的力，并保证足够的动刚度。其特性正好可以克服传统丝杠螺母加载机构的缺点，适用于作为微小力值的加载机构，实现微小力值的测量。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本实用新型产品作进一步地详述：

参见附图1所示，该种微小力值测量装置，包括包括步进电机1、带滚珠丝缸的立柱2、螺母3、连接板4、动横梁5、压电陶瓷力值加载模块6、运动控制器7、精密力测量装置8、底座9、电子计算机10和步进电机控制器11。其中，步进电机1与立柱2的滚珠丝缸上端连接，螺母3套装在立柱2的滚珠丝缸上，并与转接板4连接，动横梁5与转接板4的外侧连接，压电陶瓷力值加载模块6安装在动横梁下方，运动控制器7与压电陶瓷力值加载模块6和电子计算机10连接，带滚珠丝缸的立柱2安装在底座9上，精密力测量装置8放置在底座9上，步进电机控制器11与步进电机1相连接。

带滚珠丝缸的立柱2作为整个装置的支撑机构，动横梁5通过连接板4和螺母2沿着立柱2的滚珠丝缸做上下运动，实现加载位置的粗略调整。步进电机1为动力装置，拖动立柱2的滚珠丝缸做旋转运动。螺母3安装在立柱2的滚珠丝缸上，把步进电机1和立柱2的滚珠丝缸的旋转运动转换为动横梁6的直线运动。压电陶瓷力值加载模块6安装在动横梁5的下方。电子计算机10通过运动控制器7对压电陶瓷力值加载模块6进行控制，使压电陶瓷力值加载模块6的输出端产生一定量的微位移。精密力测量装置8放置在底座9上，显示实际的加载微小力值大小。

本实用新型的工作过程是：

将要测量的力传感器安装在压电陶瓷力值加载模块6上，启动步进电机1，来调整动横梁5的位置，直至力传感器与精密力测量装置8之间的间隙处于压电陶瓷力值加载模块6输出端的最大伸缩范围之内。完成动横梁5的粗调定位后，通过计算机10上的控制软件，控制运动控制器7驱动压电陶瓷力值加载模块6的输出端实现具有纳米级分辨力的伸长或缩短，使力传感器和精密力测量装置8接触，根据牛顿第三定律，力传感器和精密力测量装置8所受的力值大小相等，方向相反，通过读取精密力测量装置8的显示力值即可得到力传感器的实现所承受的力值。

本实用新型与现有装置相比实现了1mN～2N范围内微小力值的测量。

Claims (1)

1.一种微小力值测量装置，包括步进电机(1)、带滚珠丝缸的立柱(2)、螺母(3)、连接板(4)、动横梁(5)、压电陶瓷力值加载模块(6)、运动控制器(7)、精密力测量装置(8)、底座(9)、电子计算机(10)和步进电机控制器(11)；其中，步进电机(1)与立柱(2)的滚珠丝缸上端连接，螺母(3)套装在立柱(2)的滚珠丝缸上，并与转接板(4)连接，动横梁(5)与转接板(4)的外侧连接，压电陶瓷力值加载模块(6)安装在动横梁下方，运动控制器(7)与压电陶瓷力值加载模块(6)和电子计算机(10)连接，带滚珠丝缸的立柱(2)安装在底座(9)上，精密力测量装置(8)放置在底座(9)上，步进电机控制器(11)与步进电机(1)相连接；其特征在于：在动横梁(5)的下方安装一个基于压电陶瓷原理的直线驱动力值加载模块(6)，并与运动控制器(7)连接，运动控制器(7)和电子计算机(11)相连。

Images