[发明专利]差动式水平微力加载装置及加载方法

说明书

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。

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，例如微机电系统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，用来对微力传感器、微机电系统以及各种微力检测器进行标定，并为微小力值的测力系统提供支持。

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结构特点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；

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。

本发明差动式水平微力加载装置的结构特点是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。

本发明差动式水平微力加载装置的加载方法是按以下方式实现差动加载：

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。

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系统中的摩擦环节，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；