[发明专利]微小力的动态旋转测量系统及测量与标定方法

说明书

本发明公开了一种微小力的测量与标定方法，基于低温超导微小力动态旋转测量系统。该配套系统包括环状超导导轨，硬磁转子，硬磁转子支撑在超导导轨上；转子由转轴、转子支架、叶片构成，转轴沿周向均匀开有通孔供转子支架一端径向插入，转子支架另一端设置有叶片，叶片为矩形网状薄板，每片叶片上附着所需测量的持续力，并在叶片下方角落处附着一小块反光片用以测量。本发明突破了微小力测量领域对于微电子学系统及其精度的依赖，利用力在时间上的积分效应，更加形象和直观的测量并展示了待测微小力的精确数值，精度可达10^‑9N，且在测量过程中实现了可视化效果，能够更好的监测评判测试过程。

技术领域

本发明涉及一种微小力的测量与标定的方法，特别是针对低阻力旋转系统的微小力测量与标定的方法。

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。

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及其配套的测量方法。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及其配套的测量方法，测量范围为10^-9N～10^-6N，分辨率达到了5×10^-11N。更进一步，文献“Christian Schlegel,Oliver Slanina,Günther Haucke,RolfKumme.Construction of a standard force 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，利用其配套的测量方法可测量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。其中所涉及的方法与标定，都是基于微电子电路的设计与组合。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标定手段，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。

发明内容

本发明的目的是针对现有静态测量技术的不足与偏颇，提供一种不以微电子学科为背景的，基于低阻力旋转系统的微小力动态测量系统及其测量方法与标定方法。