一种多方向微纳力测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多方向微纳力测量装置及测量方法，装置包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧；方法包括：获取弹性支撑机构的平衡位置；通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。本发明专利技术与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，可广泛应用于力测量领域。

【技术实现步骤摘要】
一种多方向微纳力测量装置及测量方法
本专利技术涉及力测量领域，尤其是一种多方向微纳力测量装置及测量方法。
技术介绍
随着现代科技的飞速发展，人类认识世界的能力已从宏观领域进入到微观领域，特别是近年来MEMS技术的兴起，对于极小力值物理量的测量已变得越来越重要。例如在微纳卫星中用于姿态控制的MEMS微推进器，其产生的微牛量级力值的准确性将直接影响微纳卫星的姿态控制精度；而在纳米压痕测量过程中施加的微牛到毫牛量级的力值精度直接决定着材料纳米硬度的计算结果。目前对于微纳量级力值的测量主要集中在竖直方向，但在应用过程中许多时候会涉及到非竖直方向微纳力值的测量，如在MEMS微推进器性能测试等领域中就需要对水平方向以及空间其他方向的微纳力值进行测量。目前的微纳牛顿量级力值的测量装置不能进行非竖直方向微纳力值的测量，满足不了人们对微纳牛顿量级力值测量的高要求，亟待进一步完善和提高。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种能进行非竖直方向微纳力值测量的，多方向微纳力测量装置。本专利技术的另一目的在于：提供一种能进行非竖直方向微纳力值测量的，多方向微纳力测量方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种多方向微纳力测量装置，包括：加载机构，用于加载外界施加的被测微纳力值；标准微纳力值发生装置，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；弹性支撑机构，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；位置测量装置，用于测量弹性支撑机构的位置变化；所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。进一步，还包括固定板，所述弹性支撑机构的前端固定在固定板上。进一步，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。进一步，所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。本专利技术所采取的另一技术方案是：一种多方向微纳力测量方法，包括以下步骤：获取弹性支撑机构的平衡位置；通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。进一步，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：从0开始逐渐增大标准微纳力值发生装置的静电力大小，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的静电力大小。进一步，所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：分别获取从弹性支撑机构固定点到标准微纳力值发生装置中心的距离l1以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；根据弹性支撑机构恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小Fin、距离l1和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：F＝Fin×l1/l。进一步，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置。进一步，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：从0开始逐渐增大叉指状电容装置的加载电压值，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的加载电压值。进一步，所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：分别获取从弹性支撑机构固定点到叉指状电容装置中心的距离l1以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；根据恢复平衡位置时叉指状电容装置的加载电压值U、距离l1和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：其中，N是叉指状电容装置中叉指的总个数，ε0为空气介电常数，g是叉指状电容装置中相邻两叉指侧面距离的一半，x0为叉指状电容装置中相邻两叉指相交部分长度的一半。本专利技术的装置的有益效果是：包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，基于弹性支撑机构上的标准微纳力值与被测微纳力值相平衡原理测量出外界施加的微纳力值，与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，克服了现有技术不能进行非竖直方向微纳力值测量的缺陷，满足了人们对空间非竖直方向微纳量级力值测量的高要求。进一步，标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，采用了叉指状电容装置作为微纳力值的标准力源，简化了测量结构，降低了测量成本，便于进行集成。本专利技术的方法的有益效果是：包括获取弹性支撑机构的平衡位置，通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，调整标准微纳力值发生装置的静电力大小以及根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值的步骤，采用了静电力与被测微纳力值平衡的测量方法来测量出被测微纳力值，与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，克服了现有技术不能进行非竖直方向微纳力值测量的缺陷，满足了人们对空间非竖直方向微纳量级力值测量的高要求。进一步，标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，采用了叉指状电容装置作为微纳力值的标准力源，简化了测量结构，降低了测量成本，便于进行集成。附图说明图1为本专利技术的多方向微纳力测量装置进行空间任意方向微纳力测量时的结构示意图；图2为本专利技术的多方向微纳力测量装置进行水平方向微纳力测量时的结构示意图；图3为图2的受力示意图；图4为图2的受力形变示意图；图5为本专利技术叉指状电容装置的结构参数示意图；图6为叉指状电容装置输出力值与叉指间距的关系图。具体实施方式参照图1，一种多方向微纳力测量装置，包括：加载机构4，用于加载外界施加的被测微纳力值；标准微纳力值发生装置2，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；弹性支撑机构1，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；位置测量装置3，用于测量弹性支撑机构的位置变化；所述弹性支撑机构1的末端与位置测量装置3连接，所述标准微纳力值发生装置2和加载机构4分别安装在弹性支撑机构1的两侧。参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括固定板5，所述弹性支撑机构1的前端固定在固定板5上。其中，弹性支撑机构1的前端通过固定板5进行固定，本专利技术把弹性支撑机构1与固定板5相接触的点称为弹性支撑机构固定点。进一步作为优选的实施方式，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。进一步作为优选的实施方式，所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。一种多方向微纳力测量方法，包括以下步骤：获取弹性支撑机构的平衡位置；通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。进一步作为优选的实施方式，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：包括：加载机构，用于加载外界施加的被测微纳力值；标准微纳力值发生装置，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；弹性支撑机构，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；位置测量装置，用于测量弹性支撑机构的位置变化；所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。

【技术特征摘要】
1.一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：包括：加载机构，用于加载外界施加的被测微纳力值；标准微纳力值发生装置，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；弹性支撑机构，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；位置测量装置，用于测量弹性支撑机构的位置变化；所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。2.根据权利要求1所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：还包括固定板，所述弹性支撑机构的前端固定在固定板上。3.根据权利要求1所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。4.根据权利要求1、2或3所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。5.一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：获取弹性支撑机构的平衡位置；通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。6.根据权利要求5所述的一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：从0开始逐渐增大标准微纳力值发生装置的静电力大小，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的静电力大小。7.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立，郑培亮，李倩，李闯，黄振宇，丘卉，
申请(专利权)人：广东省计量科学研究院华南国家计量测试中心，
类型：发明
国别省市：广东,44