[发明专利]微小力的动态测量装置

权利要求书

1.微小力的动态测量装置，包含高真空热沉系统、磁悬浮转子系统、测速系统三个分系统，其特征在于磁悬浮转子系统包括超导导轨、转轴、支架、叶片位于高真空热沉系统内，测速系统中反光板位于叶片上，其他部分位于高真空热沉系统外，其中，高真空热沉系统包括一真空罐体，罐身内部包括一层通有液氮的热沉，热沉的腔内部为磁悬浮转子系统，磁悬浮转子系统由一环状超导导轨、一到两对支撑支架与一硬磁转子构成，硬磁转子通过支撑支架支撑在超导导轨上，硬磁转子由转轴、若干连接支架和若干叶片构成，转轴为扁平圆柱环，采用硬磁材料制成，若干连接支架为矩形长条，辐射状地一端固定连接到转轴上，另一端端部设置有叶片，叶片为矩形网状薄板，叶片上附着所需测量的持续力，并在下方角落处附着一小块反光材料，常温下，转子在支架的支撑下静置在导轨上方，在液氮维持的低温条件下，撤除支撑支架，超导导轨将托起转子，使其具有抗翻转和抗离轨的自稳定性；测速系统包括定向激光发射器、光敏探测器、微电流计、计算机，利用激光的高度准直特性，当且仅当转子的某一叶片旋转至特定位置时，叶片附着的一小块反光材料将激光沿既定方向直接反射至光敏探测器，光敏探测器通过对光信号强弱的识别，在激光未照射时，输出本底信号；当激光照射时，即输出高响应电流脉冲。

2.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，真空罐体放置于机架上方，可打开的罐体顶盖为气弹簧辅助翻盖结构，罐身装配有三个引线法兰接口用以外接，同时还设置有手动放气阀、液氮入口和氮气出口三个通道，透过机架罐身下方连接分子泵与机械泵以实现和保持真空，其正面设置一扇观察窗，用以测速和观察。

3.如权利要求2所述的动态测量装置，其中，三个引线法兰接口用以外接电磁驱动装置以及合作测量装置。

4.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，连接支架采用轻型钛合金材料制成。

5.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，叶片为钛合金材料。

6.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，高真空热沉系统在真空罐侧壁上装有直径为200mm-400mm的透明玻璃观察窗，热沉结构上同样存在直径为250mm～450mm的透明观察孔，二者同轴。

7.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，转轴、支架与叶片可多次固定和拆卸，液氮冷却状态下超导导轨将转轴、支架与叶片作为整体悬浮2mm-7mm。

8.如权利要求1所述的动态测量装置，其中，根据被测推力的范围，叶片选取3-12个不等，支架有两组，长度不同，范围为15mm-50mm。

9.利用权利要求1-8任一项所述装置测量微小力的方法，包括如下步骤：

1)将持续微小力附着在每扇叶片上作为动力，而后将转子对中放置于真空罐内的超导导轨上；

2)安置之后密封高真空热沉系统的真空罐体，抽真空，固定测速系统中除光敏探测器以外的部件的位置与方向；

3)真空度低于10^-4Pa后，通入液氮，使转子被托起；状态平稳后，调整光敏探测器的位置与方向并固定；在系统标定完成之后，利用存储器记录的脉冲时间t_i,i＝1,2,3,4，记录点1、2之间和3、4之间转子转过的角度θ，以及记录1、2与记录3、4之间的间隔时间T，得到转子的加速度a：

再结合转子的角动量J，小推力与旋转轴的距离R，叶片个数n得到微小力f，如果微小力是分布力，则除以每个叶片上分布力的面积S，得到微小力分布密度σ，公式如下：