【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微小力值测量领域，具体涉及一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量装置及方法。
技术介绍
1、现代空间探测和微纳制造等研究领域对微小力值的测量提出高分辨率和高准确度的要求。目前，关于微小力值的应用主要集中在10μn～1mn范围内，微小力值的测量不确定度需要优于10-5量级。
2、微小力值的测量结果受限于毫克（mg）量级实物砝码的准确度，在现有的计量体系中仅能实现10-3量级的测量不确定度，无法满足以微型化、智能化和数字化为代表的未来高质量工业发展对微小力值计量的需求。随着国际计量大会在2018年宣布使用普朗克常数（ h）对质量单位进行重新定义，使得原有依赖于质量实物基准的微小力值能够直接溯源至普朗克常数，摆脱对实物砝码的依赖，使其测量不确定度可由现有的10-3量级突破至10-4量级甚至更高。目前，国际上主要采用基于静电力方法的静电力天平装置来实现将微小力值溯源至普朗克常数的目的，利用电容器在电场作用下产生的静电力平衡待测力值，将待测力值与时间、电荷和长度等已量子化的基本单位进行关联，完成对微小力值的直接溯源。
3、作为现有技术，cn204101217u公开了一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，采用圆柱形电容器，其中圆柱外电极固定在底座上，内电极通过椭圆形铰链悬挂在外电极的电场中。该装置通过带自重平衡的椭圆形铰链来降低内电极运动方向的刚度，由于一体化椭圆形铰链的加工精度较低，因此只能将沿铅垂方向的刚度降低至10n/m左右，且刚度大小在加工完成
4、但是，要实现在10μn～1mn量程范围内将微小力值的测量不确定度抑制至10-5量级，力值分辨力在10μn时需要优于0.1nn，在1mn时需要优于10nn，对应的静电力天平装置中柔性结构在铅垂方向的刚度范围需为0.01n/m～1n/m。但现有技术的柔性结构通常采用一体化椭圆形柔性铰链，由于椭圆形柔性铰链的刚度受到加工精度的影响并且成型之后无法再调整，导致静电力天平的刚度值唯一，无法进行大范围的调节，从而测量量程较窄，力值分辨力不足以满足10μn～1mn范围内微小力值的测量不确定度需求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有静电力天平装置中一体化柔性椭圆形铰链刚度无法调整、导致微小力值测量量程过窄和测量不确定度过大的问题，提供一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量装置及方法，能够对柔性枢轴结构的铅垂向刚度进行调整，满足不同测量范围内力值分辨力与测量准确度的需求。
2、本专利技术的一个方面提供一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量装置，包括圆柱形电容器、z向精密位移台、第一xy水平位移台、柔性枢轴结构、差分激光干涉仪、重心调整块、托盘、拉伸弹簧、z轴升降平台，
3、所述圆柱形电容器包括圆柱外电极和圆柱内电极，圆柱外电极固定在z向精密位移台上，z向精密位移台固定在第一xy水平位移台上，第一xy水平位移台用于在水平方向上调整圆柱外电极与圆柱内电极的相对位置，保证圆柱外电极与圆柱内电极同轴安装，z向精密位移台用于驱动圆柱外电极在铅垂方向往复运动；
4、所述柔性枢轴结构能够绕着旋转中心产生铅垂方向的运动，包括上部杆件、中部杆件、底部杆件、固定支座和多个簧片型柔性铰链，上部杆件、中部杆件和底部杆件形成中心对称的机械结构，上部杆件和底部杆件的一端分别与固定支座连接，上部杆件和底部杆件的另一端分别与中部杆件的两端连接，上部杆件、中部杆件、底部杆件和固定支座之间通过所述多个簧片型柔性铰链固定连接，圆柱内电极的端部与柔性枢轴结构相连接，柔性枢轴结构绕着旋转中心的铅垂方向的运动能够带动圆柱内电极在圆柱外电极中产生相对位移；
5、所述差分激光干涉仪用于将测量光束射入圆柱外电极和圆柱内电极的底部，测量得到圆柱外电极与圆柱内电极的相对位移量；
6、所述重心调整块与柔性枢轴结构的上部杆件连接，用于调整柔性枢轴结构的重心，使其与柔性枢轴结构的旋转中心相重合；
7、所述托盘与中部杆件的上端连接，用于承载加载的力值，中部杆件的下端连接圆柱内电极，托盘与圆柱内电极的中心对称轴线相重合；
8、所述拉伸弹簧的一端固定在上部杆件的一端的对称中心位置，另外一端固定在z轴升降平台上，拉伸弹簧的张紧力能够随着z轴升降平台沿z轴的运动而改变。
9、优选地，柔性枢轴结构在铅垂方向的整体刚度为：
10、，
11、其中， k1为柔性枢轴结构的初始正刚度， k2为拉伸弹簧的弹性系数， l1为柔性枢轴结构的端部至旋转中心的长度， l0为拉伸弹簧的原始长度， l2为拉伸弹簧拉伸之后的长度。
12、优选地，所述装置还包括延长杆、阻尼铝片、永磁体和第二xy水平位移台，
13、所述延长杆沿着底部杆件的一端延伸，所述阻尼铝片连接在延长杆的端部，能够在永磁体形成的磁场中产生阻尼力，用于减小柔性枢轴结构在力值加载后的收敛时间，永磁体固定在第二xy水平位移台上，第二xy水平位移台用于调整永磁体的位置，保证阻尼铝片始终处于永磁体的中间位置处。
14、优选地，柔性枢轴结构的传递函数为：
15、，
16、其中， jm为柔性枢轴结构的转动惯量， f为待测微小力值， c为阻尼铝片产生的阻尼力。
17、优选地，上部杆件、中部杆件和底部杆件为片状结构，固定支座有4个，其中2个固定支座与上部杆件的一端的两个角连接，另外2个固定支座与中部杆件的一端的两个角连接；簧片型柔性铰链有8个，分别位于上部杆件、中部杆件、底部杆件和固定支座之间相连的8个角上。
18、本专利技术的另一个方面提供一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量方法，利用上述的装置进行微小力值测量，包括：
19、步骤s1：根据待测力值 fm的大小，调整安装有拉伸弹簧的z轴升降平台的高度，使得拉伸弹簧的张紧力调整至预定量值，从而使得柔性枢轴结构在铅垂方向的整体刚度在预定区间内；
20、步骤s2：通过z向精密位移台驱动圆柱外电极在铅垂方向往复运动，测量圆柱电容器的电容值，同时利用差分激光干涉仪测量圆柱内电极与圆柱外电极的相对位移值，根据测量结果计算得到圆柱电容器的电容梯度d c/d z；
21、步骤s3：通过在圆柱电容器的两端加载电压使得圆柱内电极与圆柱外电极达到初始平衡位置，此时加载在圆柱电容器两端的电压为 vu，产生的静电力为 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量装置，其特征在于，包括圆柱形电容器、Z向精密位移台、第一XY水平位移台、柔性枢轴结构、差分激光干涉仪、重心调整块、托盘、拉伸弹簧、Z轴升降平台，
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，柔性枢轴结构在铅垂方向的整体刚度为：
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括延长杆、阻尼铝片、永磁体和第二XY水平位移台，
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，柔性枢轴结构的传递函数为：
5.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，上部杆件、中部杆件和底部杆件为片状结构，固定支座有4个，其中2个固定支座与上部杆件的一端的两个角连接，另外2个固定支座与中部杆件的一端的两个角连接；簧片型柔性铰链有8个，分别位于上部杆件、中部杆件、底部杆件和固定支座之间相连的8个角上。
6.一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量方法，其特征在于，利用权利要求1-5中任一项所述的装置进行微小力值测量，包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于变刚度柔性枢轴结构的微小力值测量装置，其特征在于，包括圆柱形电容器、z向精密位移台、第一xy水平位移台、柔性枢轴结构、差分激光干涉仪、重心调整块、托盘、拉伸弹簧、z轴升降平台，
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，柔性枢轴结构在铅垂方向的整体刚度为：
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括延长杆、阻尼铝片、永磁体和第二xy水平位移台，
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，柔性枢轴结构的...
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