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1、(10)申请公布号 CN 102305687 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305687 A *CN102305687A* (21)申请号 201110212428.9 (22)申请日 2011.07.27 G01L 25/00(2006.01) G01L 1/00(2006.01) (71)申请人 合肥工业大学 地址 230009 安徽省合肥市屯溪路 193 号 (72)发明人 王勇 刘晓峰 王秋杰 刘焕进 刘正士 (74)专利代理机构 安徽省合肥新安专利代理有 限责任公司 34101 代理人 何梅生 (54) 发明名称 差动式垂直微力加载装置及加载方法 (57)。
2、 摘要 本发明公开了一种差动式垂直微力加载装置 及加载方法， 其特征是在水平放置的二级杠杆的 中部设置二级支点， 以所述二级支点为中心， 在同 一竖直平面内， 一对一级杠杆对称分处在二级支 点的两侧， 并分别通过各自一侧的过渡杆与二级 杠杆相联结。 本发明可以用来对微力传感器、 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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 CN 102305694 A1/1 页 2 1. 一种差动式垂直微力加载装置， 其特征是在水平放置的二级杠杆。
3、 (1) 的中部设置二 级支点(2)， 以所述二级支点(2)为中心， 在同一竖直平面内， 一对一级杠杆(3)对称分处在 二级支点 (2) 的两侧， 并分别通过各自一侧的过渡杆 (7) 与二级杠杆 (1) 相联结 ； 所述一级杠杆(3)呈水平放置， 加载砝码(4)设置在作为输入端的一级杠杆的杆外端， 一级支点 (5) 位于一级杠杆 (3) 的中部， 一级杠杆 (3) 的杆内端在杆侧部通过一级柔性铰 链 (6) 连接在过渡杆 (7) 的顶端， 所述过渡杆 (7) 的底端通过二级柔性铰链 (8) 与二级杠 杆 (1) 的杆端侧部相连接 ； 所述二级杠杆 (1) 的一端沿水平方向延伸， 并经延伸段 (。
4、14) 形 成自由端， 在所述二级杠杆 (1) 的自由端设置探针 (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 (7) 的中部通过固联的悬臂 (7a) 设置过渡杆配重块 (7b)， 使过渡杆 (7) 的重心调整到二级柔性铰链 (8) 所在位置处 ； 在所述一级杠杆 (3) 的杆外端设置一级杠杆 配重块 (12)， 使所述一级杠杆 (3) 的重心调整到一级支点 (5) 的位置处 ； 在所述二级杠杆 (1) 的非自由端设置二级杠杆配重块 (13)， 使二级杠杆 (1) 及其延伸段 (14)、 过渡杆 (7)、 悬臂 (7a) 及过渡杆配。
5、重块 (7b) 共同的重心调整到二级支点 (2) 的位置处。 2. 根据权利要求 1 所述的差动式垂直微力加载装置， 其特征是在所述一级支点 (5) 和 二级支点 (2) 位置处， 一级杠杆 (3) 和二级杠杆 (1) 分别通过各支点柔性铰链悬置在基座 上， 所述各支点柔性铰链与重力方向成一致。 3. 一种权利要求 1 所述的差动式垂直微力加载装置的加载方法， 其特征是按以下方式 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、。
6、 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。 权 利 要 求 书 CN 102305687 A CN 102305694 A1/3 页 3 差动式垂直微力加载装置及加载方法 技术领域 0001 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 0002 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。
7、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。 0003 柔性铰链机构已在精密测量、 标定等领域得到广泛应用， 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 见有关。
8、为消除重力和温度两方面因素影响的相关结构设计， 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 0004 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、 并且低成本的差动式垂直微力加载装置及加载方法， 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。 0005 本发明解决技术问题采用如下技术方案 ： 0006 本发明差动式垂直微力加载装置的结构特点是。
9、在水平放置的二级杠杆的中部设 置二级支点， 以所述二级支点为中心， 在同一竖直平面内， 一对一级杠杆对称分处在二级支 点的两侧， 并分别通过各自一侧的过渡杆与二级杠杆相联结 ； 0007 所述一级杠杆呈水平放置， 加载砝码设置在作为输入端的一级杠杆的杆外端， 一 级支点位于一级杠杆的中部， 一级杠杆的杆内端在杆侧部通过一级柔性铰链连接在过渡杆 的顶端， 所述过渡杆的底端通过二级柔性铰链与二级杠杆的杆端侧部相连接 ； 所述二级杠 杆的一端沿水平方向延伸， 并经延伸段形成自由端， 在所述二级杠杆的自由端设置探针， 以 所述探针与设置在微动平台上的力传感器相接触 ； 0008 在所述过渡杆的中部通过。
10、固联的悬臂设置过渡杆配重块， 使过渡杆的重心调整到 二级柔性铰链所在位置处 ； 在所述一级杠杆的杆外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的位置处 ； 在所述二级杠杆的非自由端设置二级杠杆配重块， 使二级杠杆及其延伸段、 过渡杆、 悬臂及过渡杆配重块共同的重心调整到二级支点的位置 处。 0009 本发明差动式垂直微力加载装置的结构特点也在于在所述一级支点和二级支点 说 明 书 CN 102305687 A CN 102305694 A2/3 页 4 位置处， 一级杠杆和二级杠杆分别通过各支点柔性铰链悬置在基座上， 所述各支点柔性铰 链与重力方向成一致。 0010 本发明。
11、差动式垂直微力加载装置的加载方法的特点是按以下方式实现差动加 载 ： 0011 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 ； 0012 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。 0013 。
12、与已有技术相比， 本发明有益效果体现在 ： 0014 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， 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 ； 0015 2、 本发明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。 0016 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。
13、扰因素强 ； 0017 4、 本发明采用对称机构， 消除了温度的影响， 提高了力加载精度。 0018 5、 本发明一级支点和二级点处的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 0019 图 1 为本发明中垂直微力加载装置原理图 ； 0020 图中标号 ： 1 二级杠杆 ； 2 二级支点 ； 3 一级杠杆 ； 4 加载砝码 ； 5 一级支点 ； 6 一级 柔性铰链 ； 7 过渡杆 ； 8 二级柔性铰链 ； 9 探针 ； 10 微动平台 ； 11 力传感器 ； 12 一级杠杆配重 块 ； 13。
14、 二级杠杆配重块 ； 14 二级杠杆延伸部分 ； 7a 悬臂 ； 7b 过渡杠杆配重块。 具体实施方式 0021 参见图 1， 本实施例差动式垂直微力加载装置包括有 ： 一对一级杠杆 3、 一个二级 杠杆1、 一对过渡杆7以及一对一级杠杆配重块12、 一对悬臂7a、 一对过渡杆配重块7b和一 个二级杠杆配重块 13 ； 本实施例中， 在呈水平放置的二级杠杆 1 的中部设置二级支点 2， 以 二级支点 2 为中心， 在同一竖直平面内， 一对一级杠杆 3 对称分处在二级支点 2 的两侧， 并 分别通过各自一侧的过渡杆 7 与二级杠杆 1 相联结 ； 0022 一级杠杆3呈水平放置， 加载砝码4设置。
15、在作为输入端的一级杠杆的杆外端， 一级 支点 5 位于一级杠杆 3 的中部， 一级杠杆 3 的杆内端在杆侧部通过一级柔性铰链 6 连接在 说 明 书 CN 102305687 A CN 102305694 A3/3 页 5 过渡杆 7 的顶端， 过渡杆 7 的底端通过二级柔性铰链 8 与二级杠杆 1 的杆端侧部相连接 ； 二 级杠杆 1 的一端沿水平方向延伸， 并经延伸段 14 形成自由端， 在二级杠杆 1 的自由端设置 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， 由微动平台10带动力传感 器 11 在竖直方向移动。 0023 为了减小或消除重心变化对各杆件造成的影响， 分。
16、别在各杆件的相应位置上设置 配重块 ： 首先在过渡杆 7 的中部通过固联的悬臂 7a 设置过渡杆配重块 7b， 使过渡杆 7 的重 心调整到二级柔性铰链 8 所在位置处 ； 然后在二级杠杆 1 的非自由端处设置二级杠杆配重 块 13， 使二级杠杆 1 及其延伸段 17、 过渡杆 7、 悬臂 7a 及过渡杆配重块 7b 共同的的重心调 整到二级支点2的位置上 ； 在一级杠杆3的杆外端处设置一级杠杆配重块12， 使一级杠杆3 的重心调整到一级支点 5 所在位置处 ； 0024 为了减小或消除重心变化对各杆件造成的影响， 配重块的设置也可以是 ： 0025 首先在过渡杆7的中部通过固联的悬臂7a设置。
17、过渡杆配重块7b， 使过渡杆7的重 心调整到一级柔性铰链 6 所在位置处 ； 然后在一级杠杆 3 的杆外端处设置一级杠杆配重块 12， 使一级杠杆 3、 过渡杆 7、 悬臂 7a 及过渡杆配重块 7b 共同的重心调整到一级支点 5 的位 置处 ； 最后在二级杠杆 1 的非自由端处设置二级杠杆配重块 13， 使二级杠杆 1 及其延伸段 14 的重心调整到二级支点 2 的位置上。 0026 具体实施中， 可以去掉过渡杆配重块 7b， 但会降低测量精度以及减小力的测量范 围。 0027 在一级支点 5 和二级支点 2 位置处， 一级杠杆 3 和二级杠杆 1 分别是通过各支点 柔性铰链悬置在基座上， 。
18、为了消除重力对各支点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支点柔性铰链的破坏， 一级支点和二级点处的支点柔性铰链均采用 与重力方向成一致的设置。 0028 整个装置由砝码产生微力， 微力远小于砝码的质量， 且一级柔性铰链 6 到一级支 点 5 的距离与一级杠杆 3 的输入端到一级支点 5 的距离的比值越大， 探针 9 到二级支点 2 的距离与二级柔性铰链 8 到二级支点 2 的距离的比值越大， 则就能够产生越小的微力。 0029 本实施例中差动式垂直微力加载装置按以下方式实现差动加载 ： 0030 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 ； 。
19、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F1F1a-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 ； 0031 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。 0032 本发明测量装置可以实现 10-2以下的微力加载。 说 明 书 CN 102305687 A CN 102305694 A1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102305687 A 。