基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用自重平衡铰链结构实现微小力值的测量与溯源装置，为提供在微小力值测量与溯源装置与方法中，对力值传递机构进行合理的选择与设计，并对其进行不断的优化，设计出拥有自重平衡机构的平行四边形铰链机构，通过此机构能实现分辨力为10

Micro force traceability device and method based on self weight balance hinge

The invention relates to a measuring and tracing device to realize the micro force value with the deadweight of the hinge structure, is provided in the micro force value measurement and tracing device and method, the force value selection and reasonable design of transmission mechanism, and constantly optimize the design of a parallelogram has weight balancing mechanism shaped hinge mechanism and through this mechanism can achieve a resolution of 10

【技术实现步骤摘要】
基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法
本专利技术涉及用自重平衡铰链结构实现微小力值的测量与溯源装置，属于微纳力值测量领域。具体讲,涉及基于自重平衡铰链的微力溯源装置与方法。
技术介绍
现阶段，微纳量级的力值已越来越多的应用于新材料、生物医药、微电子、航空航天、国防等诸多领域，为了促进相关领域的关键技术提升，各国对于微纳力值的计量方法纷纷展开研究。在微力测量系统中，将微小力值转化成可溯源标准量并将其输出的传递机构是影响力值测量的关键环节，它并不直接参与到力值的计算中，但却决定了测量系统能够达到的力值测量水平。力值测量系统中，要求力值传递机构具有较高的灵敏度和重复性精度，适宜的自由度限制以及良好的动态特性。柔性铰链机构因其无摩擦，体积小，无间隙和运动平稳的特点而备受青睐，并且通过柔性铰链可以实现高灵敏度、高稳定性的微纳力值测量。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种分辨力可达10-8N的基于自重平衡铰链的微力溯源装置与方法。具体来说，就是在微小力值测量与溯源装置与方法中，对力值传递机构进行合理的选择与设计，并对其进行不断的优化，设计出拥有自重平衡机构的平行四边形铰链机构，通过此机构能实现分辨力为10-8N的微小力值测量。为此，本专利技术采用的技术方案是，基于自重平衡铰链的微力溯源方法，利用同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置、带自重平衡的柔性铰链机构实现，同轴度测量装置包括两个CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器，圆柱形电容传感器结构是由薄壁圆筒结构的内外电极同轴安装；标准质量与静电力比对装置包括标准质量环、电控升降台、PID控制器、数字源表和激光尺；测量步骤是：在两个相互垂直的方向上，平行远心光源与CCD相机分别位于圆柱形电容传感器两侧，用于获得内外电极边缘灰度图像，通过后续的图像处理获得准确的边缘位置，进行内外电极同轴检测和调整，通过纳米微动台移动外电极使其发生z向位移，采用激光尺测量该z向位移值dz，同时采用平衡电容电桥测量圆柱形电容传感器电容值的变化量dC，以完成位移电容值比例关系dC/dz的测量；当标准质量环施加到带自重平衡的柔性铰链机构上后，带自重平衡的柔性铰链机构带动与其固定连接的内电极将产生与被测力值大小成比例的变形；激光尺将测量到的位移信号输入到PID控制器中，控制器将控制信号输入数字源表，数字源表输出电压U到内外电极上，使内电极位移恢复到初始平衡位置，数据处理及力值计算模块将输入的dz、dC、U信号处理，并计算得到静电力。带自重平衡的柔性铰链机构是由4个水平方向的单铰链和5个垂直方向的单铰链组成一个平行四边形机构，平行四边形机构一端固定，平行四边形机构上、下边端部各水平设置一个柔性铰链；平行四边形机构中部设置有与平行四边形机构上、下边平行的一个杠杆，杠杆中部与平行四边形机构上边之间由一垂直设置的柔性铰链相连，杠杆一端与平行四边形机构下边之间由四个垂直设置的柔性铰链相连，杠杆另一端连接平衡法玛，调节杠杆端部的平衡砝码使上、下边上铰链位于水平位置，从而实现自重平衡，内电极固定于与平行四边形机构固定一端相对应的另一端。内外电极之间施加电压U与静电力F之间的关系是：基于自重平衡铰链的微力溯源装置，由同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置、带自重平衡的柔性铰链机构构成，同轴度测量装置包括两个CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器，圆柱形电容传感器结构是由薄壁圆筒结构的内外电极同轴安装；标准质量与静电力比对装置包括标准质量环、电控升降台、PID控制器、数字源表和激光尺；其中，在两个相互垂直的方向上，平行远心光源与CCD相机分别位于圆柱形电容传感器两侧；纳米微动台用于移动外电极使其发生z向位移；激光尺测量z向位移值dz，平衡电容电桥用于测量圆柱形电容传感器电容值的变化量dC，以完成位移电容值比例关系dC/dz的测量；当标准质量环施加到带自重平衡的柔性铰链机构上后，带自重平衡的柔性铰链机构带动外电极将产生与被测力值大小成比例的变形；激光尺将测量到的位移信号输入到PID控制器中，控制器将控制信号输入数字源表，数字源表输出电压U到内外电极上，使内电极位移恢复到初始平衡位置，数据处理及力值计算模块将输入的dz、dC、U信号处理，并计算得到静电力。带自重平衡的柔性铰链机构是由4个水平方向的单铰链和5个垂直方向的单铰链组成一个平行四边形机构，平行四边形机构一端固定，平行四边形机构上、下边端部各水平设置一个柔性铰链；平行四边形机构中部设置有与平行四边形机构上、下边平行的一个杠杆，杠杆中部与平行四边形机构上边之间由一垂直设置的柔性铰链相连，杠杆一端与平行四边形机构下边之间由四个垂直设置的柔性铰链相连，杠杆另一端连接平衡法玛，调节杠杆端部的平衡砝码使上、下边上铰链位于水平位置，从而实现自重平衡，内电极固定于与平行四边形机构固定一端相对应的另一端。本专利技术的特点及有益效果是：经过对微小力值的多次测量与分析实验，结果表明本专利技术所建立的分辨力可达10-8N的基于自重平衡铰链的微力溯源装置与方法，可以实现10-7N的微小力值的测量，克服了现有力值传递机构的很多局限性，比如传统平行四边形铰链长期悬挂易产生塑性变形及的缺点，此自重平衡铰链在平行四边形柔性铰链的基础上增加一个平衡铰链自身重量的杠杆机构，不仅能有效减小铰链的悬挂变形，还能通过减小铰链预变形来降低其刚度，使力值传递机构的分辨力显著提高。附图说明：图1为微小力值测量与溯源装置的系统整体装置示意图；图中，1-隔振台2-光源3-相机4-铰链5-直角块6-电控角位移台7-电控平移台8-显微镜9-手动平移台10-手动角位移台11-电控升降台12-纳米位移台13-圆柱电容器14-微悬臂15-激光尺16-手动升降台17-真空罐。图2为自重平衡铰链的结构示意图；图3为铰链变形示意图；图4为中心杠杆受力图；图5为自重平衡铰链72小时蠕变测试图；图6为自重平衡铰链阶跃响应频谱分析图；图7为信号传感与处理系统功能框图；图8为圆柱形电容传感器的结构图。具体实施方式本专利技术以静电场微小力测量装置为基础，提出并设计了一种分辨力可达10-8N的基于自重平衡铰链的微力溯源装置与方法。由于在实验过程中发现传统平行四边形铰链长期悬挂易产生塑性变形及蠕变，因此在传统的平行四边形铰链基础上进行了相应的优化设计，将铰链连接处的刚性铰链结构以柔性弹性铰链代替，并增加一个平衡铰链自身重量的杠杆机构，这样既保留了平行四边形铰链对运动自由度限制的特点，也减小了铰链的悬挂变形，并能通过减小铰链预变形来使铰链刚度降低。本专利技术通过下述技术方案实现：微小力值测量与溯源装置包括同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置等。同轴度测量装置包括两个工业级高分辨率CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器；标准质量与静电力比对装置包括标准质量环、电控升降台、PID控制器和激光尺。基于静电力原理，利用一对同轴圆柱电容器产生静电力平衡待测微小力。由静电力原理可知在内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自重平衡铰链的微力溯源方法，其特征是，利用同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置、带自重平衡的柔性铰链机构实现，同轴度测量装置包括两个CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器，圆柱形电容传感器结构是由薄壁圆筒结构的内外电极同轴安装；标准质量与静电力比对装置包括标准质量环、电控升降台、PID控制器、数字源表和激光尺；测量步骤是：在两个相互垂直的方向上，平行远心光源与CCD相机分别位于圆柱形电容传感器两侧，用于获得内外电极边缘灰度图像，通过后续的图像处理获得准确的边缘位置，进行内外电极同轴检测和调整，通过纳米微动台移动外电极使其发生z向位移，采用激光尺测量该z向位移值dz，同时采用平衡电容电桥测量圆柱形电容传感器电容值的变化量dC，以完成位移电容值比例关系dC/dz的测量；当标准质量环施加到带自重平衡的柔性铰链机构上后，带自重平衡的柔性铰链机构带动与其固定连接的内电极将产生与被测力值大小成比例的变形；激光尺将测量到的位移信号输入到PID控制器中，控制器将控制信号输入数字源表，数字源表输出电压U到内外电极上，使内电极位移恢复到初始平衡位置，数据处理及力值计算模块将输入的dz、dC、U信号处理，并计算得到静电力。...

【技术特征摘要】
1.一种基于自重平衡铰链的微力溯源方法，其特征是，利用同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置、带自重平衡的柔性铰链机构实现，同轴度测量装置包括两个CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器，圆柱形电容传感器结构是由薄壁圆筒结构的内外电极同轴安装；标准质量与静电力比对装置包括标准质量环、电控升降台、PID控制器、数字源表和激光尺；测量步骤是：在两个相互垂直的方向上，平行远心光源与CCD相机分别位于圆柱形电容传感器两侧，用于获得内外电极边缘灰度图像，通过后续的图像处理获得准确的边缘位置，进行内外电极同轴检测和调整，通过纳米微动台移动外电极使其发生z向位移，采用激光尺测量该z向位移值dz，同时采用平衡电容电桥测量圆柱形电容传感器电容值的变化量dC，以完成位移电容值比例关系dC/dz的测量；当标准质量环施加到带自重平衡的柔性铰链机构上后，带自重平衡的柔性铰链机构带动与其固定连接的内电极将产生与被测力值大小成比例的变形；激光尺将测量到的位移信号输入到PID控制器中，控制器将控制信号输入数字源表，数字源表输出电压U到内外电极上，使内电极位移恢复到初始平衡位置，数据处理及力值计算模块将输入的dz、dC、U信号处理，并计算得到静电力。2.如权利要求1所述的基于自重平衡铰链的微力溯源方法，其特征是，带自重平衡的柔性铰链机构是由4个水平方向的单铰链和5个垂直方向的单铰链组成一个平行四边形机构，平行四边形机构一端固定，平行四边形机构上、下边端部各水平设置一个柔性铰链；平行四边形机构中部设置有与平行四边形机构上、下边平行的一个杠杆，杠杆中部与平行四边形机构上边之间由一垂直设置的柔性铰链相连，杠杆一端与平行四边形机构下边之间由四个垂直设置的柔性铰链相连，杠杆另一端连接平衡法玛，调节杠杆端部的平衡砝码使上、下边上铰链位于水平位置，从而实现自重平衡，内电极固定于与平行四边形机构固定一端相对应的另一端。3.如权利要求1所述的基于自重...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋乐，孙培元，韩亚倩，郑叶龙，蔡雪，赵美蓉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12