微小力的动态旋转测量系统及测量与标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微小力的测量与标定方法，基于低温超导微小力动态旋转测量系统。该配套系统包括环状超导导轨，硬磁转子，硬磁转子支撑在超导导轨上；转子由转轴、转子支架、叶片构成，转轴沿周向均匀开有通孔供转子支架一端径向插入，转子支架另一端设置有叶片，叶片为矩形网状薄板，每片叶片上附着所需测量的持续力，并在叶片下方角落处附着一小块反光片用以测量。本发明专利技术突破了微小力测量领域对于微电子学系统及其精度的依赖，利用力在时间上的积分效应，更加形象和直观的测量并展示了待测微小力的精确数值，精度可达10

Dynamic rotation measurement system and measurement and calibration method for small force

The invention discloses a method for measuring and calibrating micro force, and is based on a dynamic rotation measurement system of low temperature superconducting micro force. The supporting system comprises an annular magnetic rotor, superconducting rails, magnetic rotor supported on the superconducting rails; rotor consists of a shaft and a rotor blade shaft bracket, which the circumference is provided with a through hole for the rotor radial insert one end of the bracket, the rotor bracket is arranged at the other end of the leaves, the leaves as a rectangular net plate, each piece of sustainability the leaves attached to the required measurement, and in the leaves below the corner of a small reflector attached to measure. The invention breaks through the dependence of the micro force measurement field on the microelectronic system and its accuracy, and makes use of the integral effect of force in time. It can measure and display the precise value of the tiny force to be measured more accurately and visually, with a precision of 10.

【技术实现步骤摘要】
微小力的动态旋转测量系统及测量与标定方法
本专利技术涉及一种微小力的测量与标定的方法，特别是针对低阻力旋转系统的微小力测量与标定的方法。
技术介绍
微小力测量指针对10-5N以下的力进行精确的测量，其在纳米技术、微纳制造、生物医学、航天微推进器等高新领域的发展中，有着广阔的应用前景和不可动摇的实践地位。文献“D.B.Newell,J.R.Pratt,J.A.Kramar,D.T.SmithandE.R.Williams.TheNISTMicroforceRealizationandMeasurementProject[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2003,52(2):508-511.”公开了美国国家标准技术研究所基于静电复现原理设计的静电力天平及其配套的测量方法。它实现了对大小在10-8N～10-4N范围内的力的测量，相对误差约为10-4量级。英国国家物理实验室利用静电平衡同样研制了一套微小力测量系统及其配套的测量方法，测量范围为10-9N～10-6N，分辨率达到了5×10-11N。更进一步，文献“ChristianSchlegel,OliverSlanina,GüntherHaucke,RolfKumme.Constructionofastandardforcemachinefortherangeof100μN-200mN[J].Measurement,2012:1-5.”公开了德国国家物理实验室基于导电圆盘摆和一对平行极板研制出的一种电磁力平衡装置，利用其配套的测量方法可测量10-5N以下的静态力且分辨率为10-12N。在微小力测量方面，国内尚处于初级探索阶段。例如文献“于鹏,董再励等.亚微牛顿级力测量装置:中国,201096557Y[P].2008-08-06.”所公开的中国科学院沈阳自动化研究所基于PVDF压电材料实现的3×10-6N范围内精度达2×10-7N的静力测量系统，以及文献“秦海峰，刘永录.微小力值测量装置:中国,201477009U[P].2012-05-19.”公开的中国科学院长春光机采用悬臂梁技术，研制出的用以测量范围在0-3.1×10-5N，分辨率为4.6×10-5N的微力传感器都是国内微小力探测方面的尝试，但是基本都属于微电系统应用领域。以上所述的技术方案均是利用复杂的微电系统和相关效应对微小力进行静态测量，其发展和应用依赖于微电子电路设计的稳定性以及微电子产品的不断更新。其中所涉及的方法与标定，都是基于微电子电路的设计与组合。随着微电子产业的不断发展，相关的技术方案均会越发成熟，但是与此同时会出现边际效应，其进步将越来越大地受限于微电子学的应用极限。因此，从其他领域对微小力测量进行技术方案创新与构造是必要的，这不仅能够丰富测量标定手段，还可以将二者进行对比与参考，得到更加先进、更加精确的方法和结果。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有静态测量技术的不足与偏颇，提供一种不以微电子学科为背景的，基于低阻力旋转系统的微小力动态测量系统及其测量方法与标定方法。本专利技术的微小力测量与标定方法采用了微小力有效积累的构思，将消除阻力、简化运动、积累推力等方法结构化，从而大大增加了微小力测量的精确度、反复性、操作性与直观性。本专利技术的微小力测量与标定方法针对的是当微小力小于10-5N时，运动方程满足的所有旋转系统，其中a,f,b,c为任意正参量，且f特指系统阻力产生的加速度。其中，上述旋转系统具体是磁悬浮转子系统，包括一环状超导导轨，一硬磁转子，硬磁转子通过支架支撑在超导导轨上；转子由转轴、转子支架、叶片构成，转轴为硬磁材料的扁平圆柱环，根据叶片与支架数量的不同，其上沿周向均匀开有3～12个3mm宽，5mm长的通孔供转子支架一端径向插入，转子支架为轻型钛合金材料矩形长条，转子支架长度在15mm到50mm之间不等，用以配合不同的微小力；转子支架另一端设置有叶片，叶片采用轻型钛合金材料，为矩形网状薄板。叶片个数对应为3-12个，每片叶片上附着所需测量的持续力，附着材料要求厚度小于0.2mm。并在叶片下方角落处附着一小块反光片(32)用以测量。其中，叶片、转子支架与转轴之间可反复固定和拆卸。其中，支架为轻型合金材料,高度为2mm～4mm,在非实验状态下和常温状态下用以支撑硬磁转子。其中，转轴的内径为40mm～50mm，外径为50mm～70mm，高度5mm～8mm。其中，转子支架自转轴外径起垂直向上有仰角为0°～10°的翘起，以减少可能的接触。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种低阻力旋转系统的微小力测量与标定方法，其特点是包括下述步骤：a.确定测量与标定中所用的两组臂长预先估计待测微小力的量级，将待测微小力附着在叶片上，每组转子支架和叶片个数取3-12个，转子支架配有多组不同长度。当支架长度增加时，待测微小力提供的动力距呈线性增加，同时旋转系统所受阻力与系统转动惯量也同时增加，因此存在最优的支架长度。最终，结合实际操作中对支架的长度下限和上限的其他要求，利用模拟程序对系统进行建模并确定转子支架长度，而后增加或减少20mm作为另一组支架的长度，即确定两组转子支架长度。b.对两种不同支架长度的组合的转动惯量进行标定。通过落体法，对转动惯量进行标定，采用测角加速度法。对于某一给定支架长度，系统转动惯量的具体表达式为：其中mi,βi,i＝1,2,3,4为四次测量的落体配重和角加速度；J1,J2分别为转轴的转动惯量和固定待测转子后的总转动惯量；R为绕线半径；g为本地重力加速度。c.标定系统阻力角速度、测量动力角速度标定时，通过电磁启动给定一个初始转动速度ω0，而后不提供任何动力，在阻力的作用下转子将会逐渐变慢，经简化其运动规律为：ωf＝ω0-ft其中，ωf为转子的角速度，ω0为转子的初速度，f为系统阻力产生的角加速度，t为时间。测量时，系统有一定初始速度，在动力的作用下，运动会逐渐加速，利用运动方程可知在实验测量期间满足ωc＝ω0+at其中，ωc为转子的角速度，ω0为转子的初速度，a为动力与阻力同时作用对系统产生的角加速度，t为时间。对两种不同支架长度的组合进行测量，利用实验中电脑记录的脉冲时间ti，i＝1,2,3,4，记录点1、2之间和3、4之间转子转过的角度θ，以及记录1、2与记录3、4之间的间隔时间T，得到转子的加速度：其中，T应当比max{(t2-t1),(t4-t3)}大至少一个量级。d.选择测量加速度的时间参数转子加速度ζ的误差公式为：选择T>>max{1,(t2-t1),(t4-t3)}，θ为2π的倍数，则第一项和第二项误差很好控制。旋转开始约20分钟之后测得(Δt)1。此时可以优化得出当时，误差有最小值根据角速度的近似线性变化规律，选择T使得二者比例接近此最优值。e.消除微小力力心与旋转中心轴的偏差，得到小推力σ。两次测量时，不更换叶片，只更换长度不同的支架，对应的角加速度与转动惯量分别为a1,J1；a2,J2。由于叶片、中心转轴、连接方式均无改变，则两次测量中支架的长度差即为推力半径的长度差ΔL。因此，总推力σ满足：f.由推力σ与叶片的面积和个数得到所需的推力面密度或推力脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
微小力的动态旋转测量系统，所述旋转是磁悬浮转子系统，包括一环状超导导轨，一硬磁转子，硬磁转子通过支架支撑在超导导轨上；转子由转轴、转子支架、叶片构成，转轴为硬磁材料的扁平圆柱环，根据叶片与支架数量的不同，其上沿周向均匀开有3～12个3mm宽，5mm长的通孔供转子支架一端径向插入，转子支架为轻型钛合金材料矩形长条，转子支架长度在15mm到50mm之间不等，用以配合不同的微小力；转子支架另一端设置有叶片，叶片采用轻型钛合金材料，为矩形网状薄板；叶片个数对应为3‑12个，每片叶片上附着所需测量的持续力，并在叶片下方角落处附着一小块反光片用以测量。

【技术特征摘要】
1.微小力的动态旋转测量系统，所述旋转是磁悬浮转子系统，包括一环状超导导轨，一硬磁转子，硬磁转子通过支架支撑在超导导轨上；转子由转轴、转子支架、叶片构成，转轴为硬磁材料的扁平圆柱环，根据叶片与支架数量的不同，其上沿周向均匀开有3～12个3mm宽，5mm长的通孔供转子支架一端径向插入，转子支架为轻型钛合金材料矩形长条，转子支架长度在15mm到50mm之间不等，用以配合不同的微小力；转子支架另一端设置有叶片，叶片采用轻型钛合金材料，为矩形网状薄板；叶片个数对应为3-12个，每片叶片上附着所需测量的持续力，并在叶片下方角落处附着一小块反光片用以测量。2.如权利要求1所述的动态旋转测量系统，其中，叶片、转子支架与转轴之间可反复固定和拆卸。3.如权利要求1所述的动态旋转测量系统，其中，支架为轻型合金材料,高度为2mm～4mm,在非实验状态下和常温状态下用以支撑硬磁转子。4.如权利要求1-3任一项所述的动态旋转测量系统，其中，转轴的内径为40mm～50mm，外径为50mm～70mm，高度5mm～8mm。5.如权利要求1-3任一项所述的动态旋转测量系统，其中，转子支架自转轴外径起垂直向上有仰角为0°～10°的翘起，以减少可能的接触。6.一种低阻力旋转系统的微小力测量与标定方法，使用权利要求1-5任一项所述的微小力的动态旋转测量系统，微小力的总推力σ的范围在10-9～10-5N；包括下述步骤：a.确定测量与标定中所用的两组臂长预先简单估计待测微小力的量级，将待测微小力附着在叶片上，每组转子支架和叶片个数取3-12个，转子支架配有多组不同长度，当支架长度增加时，待测微小力提供的动力距呈线性增加，同时旋转系统所受阻力与系统转动惯量也同时增加，因此存在最优的支架长度；最终，结合实际操作中对支架的长度下限和上限的其他要求，利用模拟程序对系统进行建模并确定使得转子在预估量级的微小力作用下加速度最高的最优支架长度，而后增加或减少20mm作为另一组支架的长度，即确定两组转子支架长度；b.对两种不同支架长度的组合的转动惯量进行标定通过落体法，对转动惯量进行标定，采用测角加速度法，对于一支架长度，具体公式为：其中mi,βi,i＝1,2,3,4为四次测量的落体配重和角加速度；J1,J2分别为转轴的转动惯量和固定待测转子后的总转动惯量；R为绕线半径；g为本地重力加速度；c.标定系统阻力角速度、测量动力角速度标定时...

【专利技术属性】
技术研发人员：何世熠，夏彦，欧阳晓平，姜利祥，王三胜，韩然，欧学东，沈自才，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11