CN102889963A - 差动式水平微力加载装置的加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差动式水平微力加载装置的加载方法，其特征是所述加载装置是以竖直设置的二级杠杆为中心杆，在同一竖直平面内，一对一级杠杆对称分处在二级杠杆的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆与二级杠杆相联结。本发明基于柔性铰链和杠杆原理建立了一种二级杠杆力缩小机构，用于产生微小作用力，柔性铰链的应用减少了标定***中的摩擦环节，提高了标定精度。

Description

差动式水平微力加载装置的加载方法
本申请是申请日为：20110727、申请号为：2011102124700、发明名称为：差动式水平微力加载装置及加载方法的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及应用在测量技术领域中的微力加载装置的加载方法。
背景技术
随着现代科学技术的蓬勃发展，需要微小力值的场合越来越多，例如微机电***中微尺度下构件的力学特性研究、微观摩擦现象测量、微传感微机器人装配中微力检测等，因此，微力传感器的研究、制作、生产也就随之开展而来。但是相对其研究制作，微力传感器本身的性能测量发展显得相对滞后。目前常规使用的滑轮砝码方法无法进行微力加载力；已有洛伦兹力和静电力标定方法，因受影响的因素较多带来不稳定性；近年来利用压电元件产生微力的应用越来越多，但这种方法成本高、操作复杂，且产生的力范围较小。
目前柔性铰链机构在精密测量、标定等领域得到了广泛应用，但是关于柔性铰链变形、杠杆重心位置以及温度的变化对测量及标定精度的影响尚缺少综合的考虑和研究，迄今未见为消除重力和温度两方面因素影响的结构设计，而在对微力进行标定或者测量时，为了获得更高的精度，必须要解决以上几方面对微力的标定或测量所造成的影响，因为，重力以及温度产生的影响可能远远大于微力加载的最大量程，对微力加载产生致命的影响。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种可满足一定精度力值的要求、并且低成本的水平微力加载装置的加载方法，用来对微力传感器、微机电***以及各种微力检测器进行标定，并为微小力值的测力***提供支持。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明差动式水平微力加载装置的加载方法的特点是：
设置所述差动式水平微力加载装置为：以竖直设置的二级杠杆为中心杆，在同一竖直平面内，一对一级杠杆对称分处在二级杠杆的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆与二级杠杆相联结。
所述一级杠杆是由水平杆和竖直杆构成的倒置的“L”型杆，加载砝码设置在作为输入端的水平杆的杆端，一级支点位于水平杆的中部，竖直杆的底端在杆侧部通过一级柔性铰链连接在过渡杆的外端，所述过渡杆的内端通过二级柔性铰链连接在二级杠杆的作用力点上。
所述二级杠杆的底端设置为二级支点，二级杠杆的顶端为自由端，在所述二级杠杆的顶端设置探针，以所述探针与设置在微动平台上的力传感器相接触。
在所述过渡杆的外端固联一对朝向过渡杆内端所在一侧延伸的连杆，在所述连杆的杆端固联过渡杆配重块，使所述过渡杆的重心调整到二级柔性铰链所在位置处；在所述一级杠杆的水平杆杆端处设置一级杠杆配重块，使所述一级杠杆的重心调整到一级支点位置处；在所述二级杠杆上，位于二级支点和二级柔性铰链之间的位置通过固联的悬臂设置二级杠杆配重块，使二级杠杆、过渡杆、连杆及过渡杆配重块共同的重心调整到二级支点的位置上。
所述差动式水平微力加载装置的加载方法是按以下方式之一实现差动加载：
方式一、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上；设置力传感器在初始位置保持不动，改变两输入端加载砝码的质量差值，在所述力传感器上获得不同的大小的加载力；
方式二、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上，然后改变两输入端加载砝码的质量差值，使探针出现偏移，由力传感器将探针从偏移的位置逐步推移到初始位置，力传感器距离初始位置越近，探针对力传感器的作用力越大，最终由两输入端加载砝码的质量差值和力传感器的位移决定加载力的大小。
本发明差动式水平微力加载装置的加载方法，其特点也在于所述差动式水平微力加载装置中，在所述一级支点和二级支点位置处，一级杠杆和二级杠杆分别是通过各支点柔性铰链设置在基座上，所述各支点柔性铰链悬置在机座上，与重力方向成一致。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明基于柔性铰链和杠杆原理建立了一种二级杠杆力缩小机构，用于产生微小作用力，柔性铰链的应用减少了标定***中的摩擦环节，提高了标定精度。
2、本发明利用砝码加载力，简单可靠、操作方便，能在一定范围内进行动态加载，可广泛应用在多种场合。
3、本发明通过设置各配重块，首先使过渡杆的重心调整到二级柔性铰链位置处，然后使二级杠杆及带有配重结构的过渡杆共同的重心调整在二级支点位置处；最后使一级杠杆的重心调整在一级支点位置上，消除了重心变化对各杆件造成的影响，使产生的微力更加稳定，抗干扰因素强。
4、本发明采用对称机构，消除了温度的影响，提高了力的加载精度。
5、本发明一级支点和二级支点处的各支点柔性铰链均采用与重力方向成一致的设置，消除了重力对柔性铰链造成的弯曲变形和弯曲应力，否则，重力产生的弯矩会导致柔性铰链的破坏。
附图说明
图1 为本发明中水平微力加载装置原理图；
图2为本发明过渡杆上配重结构示意图；
图中标号：1二级杠杆；1a悬臂；1b二级杠杆配重块；2过渡杆；2a连杆；2b过渡杆配重块；3a水平杆；3b竖直杆；4加载砝码；5一级支点；6一级柔性铰链；7二级柔性铰链；8二级支点；9探针；10微动平台；11力传感器；12一级杠杆配重块。
具体实施方式
参见图1、图2，本实施例中包括有一对由水平杆3a和竖直杆3b构成的倒置的“L”型一级杠杆、一个二级杠杆1和一对过渡杆2；并有一对一级杠杆配重块12、一对过渡杆配重块2b以及二级杠杆配重块1b；
图1所示，以竖直设置的二级杠杆1为中心杆，在同一竖直平面内，一对一级杠杆对称分处在二级杠杆1的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆2与二级杠杆1相联结；
一级杠杆是由水平杆3a和竖直杆3b构成的倒置的“L”型杆，加载砝码4设置在作为输入端的水平杆3a的杆端，图1所示的加载砝码4挂在水平杆3a上形成一级加载量F1a，一级支点5位于水平杆3a的中部，一级支点5通过柔性铰链设置在基座上；竖直杆3b的底端在杆侧部通过一级柔性铰链6连接在过渡杆2的一端，过渡杆2的另一端通过二级柔性铰链7连接在二级杠杆1的作用力点上；
二级杠杆1的底端设置为二级支点8，二级支点8通过椭圆型的柔性铰链设置在基座上；二级杠杆1的顶端为自由端，在二级杠杆1的顶端设置探针9，以探针9与设置在微动平台10上的力传感器11相接触。具体实施中是由微动平台10带动力传感器11在水平方向移动。
为了消除温度的影响，两个一级杠杆和两个过渡杆2对称的分布在二级杠杆1的两侧。
为了消除重心变化对各杆件造成的影响，可以在相应位置上分别设置配重块：包括在过渡杆2的外端固联一对朝向过渡杆内端所在一侧延伸的连杆2a，在连杆2a的杆端固联过渡杆配重块2b，使过渡杆2的重心调整到二级柔性铰链7所在位置处；在一级杠杆的水平杆3a的杆端处设置一级杠杆配重块12，使一级杠杆的重心调整到一级支点5的位置处；在二级杠杆1上，位于二级支点8和二级柔性铰链7之间的位置处，通过固联的悬臂1a设置二级杠杆配重块1b，使二级杠杆1、过渡杆2、连杆2a及过渡杆配重块2b四者共同的重心调整到二级支点8所在位置上。
具体实施中，可以去掉过渡杆配重块2b，但这会使力的加载精度降低，并缩小加载力的力值范围。
在一级支点和二级支点位置处，一级杠杆和二级杠杆分别是通过各支点柔性铰链设置在基座上，为了消除重力对柔性铰链造成的弯曲变形和弯曲应力，避免重力产生的弯矩导致柔性铰链的破坏，一级支点和二级支点处的柔性铰链均采用与重力方向成一致的设置。
整个装置由砝码产生微力，微力远小于砝码的质量，且竖直杆3b的长度与一级杠杆的输入端到一级支点5的距离的比值越大，二级杠杆1的长度与二级支点8到二级柔性铰链7的距离的比值越大，则就能够产生越小的微力。
具体实施中，可以按照以下两种方式实现水平微力的差动加载：
方式一、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上；设置力传感器在初始位置保持不动，改变两输入端加载砝码的质量差值，使其中一个输入端的加载力为F1a,另一个输入端的加载力为F1b，则所加载的力差值F1=F1a-F1b，该力差值通过柔性铰链机构进行缩小后，通过探针加载到力传感器11上，从而获得不同大小的微力；
方式二、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上，然后改变两输入端加载砝码的质量差值，使探针出现偏移，由力传感器将探针从偏移的位置逐步推移到初始位置，力传感器距离初始位置越近，探针对力传感器的作用力越大，最终由两输入端加载砝码的质量差值和力传感器的位移决定加载力的大小，可以在探针处设置一非接触式位移传感器，通过理论分析、数值计算和实验标定，建立在不同两输入端加载砝码的质量差值下探针偏置位移和加载力间的关系。
本发明装置可以实现10-2以下的微力的加载。

Claims (2)

1.一种差动式水平微力加载装置的加载方法，其特征是：
设置所述差动式水平微力加载装置为：以竖直设置的二级杠杆(1)为中心杆，在同一竖直平面内，一对一级杠杆对称分处在二级杠杆(1)的两侧，并分别通过各自一侧的过渡杆(2)与二级杠杆(1)相联结；
所述一级杠杆是由水平杆(3a)和竖直杆(3b)构成的倒置的“L”型杆，加载砝码(4)设置在作为输入端的水平杆(3a)的杆端，一级支点(5)位于水平杆的中部，竖直杆(3b)的底端在杆侧部通过一级柔性铰链(6)连接在过渡杆(2)的外端，所述过渡杆(2)的内端通过二级柔性铰链(7)连接在二级杠杆(1)的作用力点上；
所述二级杠杆(1)的底端设置为二级支点(8)，二级杠杆(1)的顶端为自由端，在所述二级杠杆的顶端设置探针(9)，以所述探针(9)与设置在微动平台(10)上的力传感器(11)相接触；
在所述过渡杆(2)的外端固联一对朝向过渡杆内端所在一侧延伸的连杆(2a)，在所述连杆(2a)的杆端固联过渡杆配重块(2b)，使所述过渡杆(2)的重心调整到二级柔性铰链(7)所在位置处；在所述一级杠杆的水平杆(3a)杆端处设置一级杠杆配重块(12)，使所述一级杠杆的重心调整到一级支点(5)的位置处；在所述二级杠杆(1)上，位于二级支点(8)和二级柔性铰链(7)之间的位置通过固联的悬臂(1a)设置二级杠杆配重块（1b），使二级杠杆(1)、过渡杆(2)、连杆(2a)及过渡杆配重块(2b)共同的重心调整到二级支点(8)的位置上；
所述差动式水平微力加载装置的加载方法是按以下方式之一实现差动加载：
方式一、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上；设置力传感器在初始位置保持不动，改变两输入端加载砝码的质量差值，在所述力传感器上获得不同的大小的加载力；
方式二、在两输入端加载相同质量的加载砝码，此时探针处于初始位置上，然后改变两输入端加载砝码的质量差值，使探针出现偏移，由力传感器将探针从偏移的位置逐步推移到初始位置，力传感器距离初始位置越近，探针对力传感器的作用力越大，最终由两输入端加载砝码的质量差值和力传感器的位移决定加载力的大小。
2.根据权利要求1所述的差动式水平微力加载装置的方法，其特征是：在所述差动式水平微力加载装置中，在所述一级支点(5)和二级支点(8)位置处，一级杠杆和二级杠杆分别是通过各支点柔性铰链设置在基座上，所述各支点柔性铰链悬置在机座上，与重力方向成一致。
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