基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明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，本发明采用的技术方案是，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。

本发明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，结果表明本发明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

本发明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。

本发明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外电极之间施加电压U与静电力F之间的关系是：

因此在测量之前标定好电容梯度dC/dz后，施加待测力，由激光尺检测铰链端部位移，在内外电极之间施加电压产生静电力，在其作用下，铰链变形逐渐减小，由激光尺检测铰链端部直至回到初始位置，记录下此时的电压值，由此电压值以及标定好的电容梯度，即可计算出其对应的静电力值，即待测微小力值。

本发明的最佳实施方式可分为以下几个步骤：

微小力值测量与溯源装置包括以下三个模块，模块一为同轴度测量模块；模块二为dC/dz测量模块；模块三为数据处理及力值计算模块。同轴度测量模块采用高精度的同轴度测量算法来实现内外电极同轴度的精密测量，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，这样调焦后适当调整曝光时间可获得清晰的灰度图像，电极边缘清晰，可通过后续的图像处理获得准确的边缘位置；当内外电极同轴检测和调整完成后，电容梯度测量模块通过纳米微动台移动外电极使其发生z向位移，采用激光位移测量系统测量该位移dz，同时采用平衡电容电桥测量电容值的变化量dC，以完成dC/dz的测量；当标准质量环由电控升降台施加到弹性支撑上后，弹性支撑和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。图1所示为微小力值测量与溯源装置的系统整体装置示意图：

在微小力值测量与溯源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平行四边形柔性铰链。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，并且系统的蠕变较大。由于蠕变和应力有关，而柔性铰链长期悬挂内电极，并且其固定方式决定了它在工作时要受到重力作用，因此铰链薄壁处始终有向下的载荷，使铰链产生应力和变形。该应力和变形是造成蠕变的主要原因。因此设计了如图2所示的带自重平衡的柔性铰链机构。该机构使铰链在工作薄壁处只有较小的变形，这样不仅减小了应力，降低了铰链工作时的蠕变，提高了测量精度；又减小了铰链的初始变形，降低铰链工作时的等效刚度，提高了力值分辨力。该机构由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，所有单铰链都是柔性的，材料为铍青铜，通过在平行四边形铰链机构的基础上增加一个杠杆，杠杆与平行四边形机构通过螺钉连接，调节杠杆端部的平衡砝码，可以调整铰链水平，这样原本由两个臂上的四个切口变形承受的铰链自重，现在由杠杆来平衡。

(1)自重平衡铰链刚度分析

在一次仿真分析中，对铰链施加一个竖直向下的力，得到变形如图3所示。A点处的竖直位移为5.026mm，水平位移为0.001mm，B点处的竖直位移为5.1mm，水平位移为0.37mm。可见运动过程中水平位移可忽略不计，也就是说竖直四个铰链可认为是“绳子”不参与到刚度计算中去，因此只需计算外围平行四边形铰链的刚度和中心杠杆的刚度。

平行四边形铰链的刚度前面已经分析过，下面来讨论中心杠杆的刚度，图4为中心杠杆的受力变形示意图。

在力F的作用下杠杆端部向下运动x，杠杆支撑的扭转刚度为：

由于于是杠杆机构的刚度为：

根据几何关系可知五个长切口处的角变形量θ是相等的，结合公式(2-2)可得到带自重平衡的平行四边形铰链刚度公式为：

其中，f(x)是为简化刚度公式而拟定的一个函数关系式，其具体的表达式为E为铍青铜材料的弹性模量，t为铰链切口处厚度，b为铰链宽度，R为切口椭圆的长轴半径，r为短轴半径，l为铰链工作的有效长度，l₂为杠杆臂的有效长度。

根据公式(2-3)确定铰链尺寸，t＝0.1mm，b＝4mm，R＝15mm，r＝5mm，l＝104mm，l₂＝138mm，计算出该铰链的理论刚度为6.9951N/m。

(2)自重平衡铰链蠕变特性

对自重平衡铰链进行蠕变测试，得到图5所示的实验结果。

实现了72小时内不超过1微米的蠕变性能，提高了静电力装置的系统稳定性。

(3)自重平衡铰链频谱分析

在本发明的测量方案中，自重平衡铰链一端连接于固定底座，另一端与内电极相连使其悬置于外电极中。这种结构使铰链极易受外界振动的影响而发生自振。通过对铰链的振动频谱分析，找到铰链的谐振频率，并根据其振动频率选择合适的隔振手段以尽可能的减小外界振动对测量的影响。

由频域函数我们可以清晰的得出该自重平衡铰链的谐振频率F_q＝4.5Hz，在谐振频率附近的外界振动会对铰链产生较大的影响。

本传感系统基于静电力原理，力值发生装置采用同轴圆柱型电容传感器，将内电极固定于自重带自重平衡柔性铰链一端，外电极固定。当被测力施加到内电极上的质量托盘时，内电极会跟随铰链产生竖直方向的位移，而装置底下的激光尺可以测量并记录位移量的大小，根据静电力公式，当电压施加于内外电极时，也会产生竖直方向的静电力F，通过调整内外电极的电压值，可以产生不同的静电力用以平衡之前内电极产生的位移变化，使内电极始终保持在平衡位置，并记录相应的电压值U，可以用记录的电压值计算得出相应的静电力值，该值与被测力大小相等，从而实现了微小力值的测量。图7所示为信号传感与处理系统功能框图。

微小力值具体的计算方法如下：基于静电力的微纳力值装置的关键部件是圆柱形电容传感器，其结构如图8所示。

对于同轴圆柱形电容传感器，电容梯度dC/dz可视为常数，其复现的静电力随施加在内外电极两端电压的变化而变化。由薄壁圆筒结构的内外电极同轴安装，构成静电力复现机构。外电极通过固定及姿态调整单元固定于光学平台上，内电极通过带自重平衡的平行四边形柔性铰链机构悬置于外电极之中，其相对位置通过位置调整系统进行调整。采用激光尺测量内电极的相对位移。在内电极、外电极间施加电压，系统产生初始静电力，此时内电极的位置为平衡位置。标准砝码或被测悬臂通过悬臂梁固定与自动加载单元将外力施加到柔性铰链机构和内电极上。内电极受到外力后偏离平衡位置。采用内电极位移反馈系统，通过改变内电极、外电极的电势差，使内电极重新回到平衡位置。根据下述公式得到对应的静电力。该静电力与外力大小相等，方向相反。

五、验证该方法的合理性和有效性。针对基于静电力原理的微小力值测量装置进行计量性能分析与试验,实现10^-4N～10^-5N的静态力值可溯源测量。采用同轴圆筒电极完成基于静电力的微纳力值装置搭建与全面调试。设计了同轴调整操作方法、电容梯度测量方法、砝码校验方法。根据此装置的不确定度的理论分析以及电容梯度的实际测量结果，基于静电力的微纳力值装置的力值相对标准不确定度小于2％。

综上所述，本发明提出的基于自重平衡铰链的微力溯源装置与方法，将可实现自重平衡的铰链与微力测量结合起来，克服了传统平行四边行铰链因长期悬挂而产生的塑性变形及蠕变；通过减小铰链预变形，降低了系统的刚度，测力分辨力可达10^-8量级，同时也为更小尺度力值计量打下基础。