[发明专利]微小力的动态测量装置

说明书

本发明公开了一种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、测速系统三个子系统。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，测速系统的其他部分位于高真空热沉系统外。低温状态下，磁悬浮转子系统中的超导导轨令该子系统的其他部分即转子部分稳定悬浮，消除接触摩擦，并仅保留一个平面旋转自由度。被测推力附着在磁悬浮转子系统的每一片叶片的一面上使转子持续加速，在高真空热沉系统提供的低温高真空环境下，磁悬浮转子系统的转速时间曲线透过观察窗被测速系统获得，进一步计算得到被测推力。

技术领域

本发明涉及一种精确测量微小力的实验装置，具体是一种真空悬浮系统配合小型旋转系统的组合装置。

背景技术

微小力测量指针对10^-5N以下的力进行精确的测量，其在纳米技术、微纳制造、生物医学、航天微推进器等高新领域的发展中，有着广阔的应用前景和不可动摇的实践地位。目前，公知的微小力测量系统有四个主要方向，包括原子力显微镜悬臂梁技术、基于微摩擦力特性的测量、扭矩式微力测量技术以及静电力式微力测量等。

文献“D.B.Newell,J.R.Pratt,J.A.Kramar,D.T.Smith and E.R.Williams.TheNIST Microforce Realization and Measurement Project[J].IEEE Transactions onInstrumentation and Measurement,2003,52(2):508-511.”公开了美国国家标准技术研究所基于静电复现原理设计的静电力天平。它实现了对大小在10^-8N～10^-4N范围内的力的测量，相对误差约为10^-4量级。英国国家物理实验室利用静电平衡同样研制了一套微小力测量系统，测量范围为10^-9N～10^-6N，分辨率达到了5×10^-11N。更进一步，文献“ChristianSchlegel,Oliver Slanina,Günther Haucke,Rolf Kumme.Construction of a standardforce machine for the range of 100μN-200mN[J].Measurement,2012:1-5.”公开了德国国家物理实验室基于导电圆盘摆和一对平行极板研制出的一种电磁力平衡装置，可测量10^-5N以下的静态力且分辨率为10^-12N。

在微小力测量方面，国内尚处于初级探索阶段。例如文献“于鹏,董再励等.亚微牛顿级力测量装置:中国,201096557Y[P].2008-08-06.”所公开的中国科学院沈阳自动化研究所基于PVDF压电材料实现的3×10^-6N范围内精度达2×10^-7N的静力测量系统，以及文献“秦海峰，刘永录.微小力值测量装置:中国,201477009U[P].2012-05-19.”公开的中国科学院长春光机采用悬臂梁技术，研制出的用以测量范围在0-3.1×10^-5N，分辨率为4.6×10^-5N的微力传感器都是国内微小力探测方面的尝试，但是基本都属于微电系统应用领域。

以上所述的技术方案均是利用复杂的微电系统和相关效应对微小力进行静态测量，其发展和应用依赖于微电子电路设计的稳定性以及微电子产品的不断更新。随着微电子产业的不断发展，相关的技术方案均会越发成熟，但是与此同时会出现边际效应，其进步将越来越大地受限于微电子学的应用极限。因此，从其他领域对微小力测量进行技术方案创新与构造是必要的，这不仅能够丰富测量手段，还可以将二者进行对比与参考，得到更加先进、更加精确的方法和结果。同时，静态的微小力测量对于实验条件的要求十分苛刻，对于结果的得到、认知、判别与分析也十分抽象。

发明内容