[发明专利]基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法

摘要

本发明涉及用自重平衡铰链结构实现微小力值的测量与溯源装置，为提供在微小力值测量与溯源装置与方法中，对力值传递机构进行合理的选择与设计，并对其进行不断的优化，设计出拥有自重平衡机构的平行四边形铰链机构，通过此机构能实现分辨力为10‑8N的微小力值测量。为此，本发明，基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法，利用同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置、带自重平衡的柔性铰链机构实现，同轴度测量装置包括两个CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器。本发明主要应用于微小力测量。

主权项

一种基于自重平衡铰链的微力溯源方法，其特征是，利用同轴度测量装置、电容梯度测量装置、标准质量与静电力比对装置、带自重平衡的柔性铰链机构实现，同轴度测量装置包括两个CCD相机、两个平行远心光源和计算机；电容梯度测量装置包括平衡电容电桥、纳米微动台以及一对圆柱形电容传感器，圆柱形电容传感器结构是由薄壁圆筒结构的内外电极同轴安装；标准质量与静电力比对装置包括标准质量环、电控升降台、PID控制器、数字源表和激光尺；测量步骤是：在两个相互垂直的方向上，平行远心光源与CCD相机分别位于圆柱形电容传感器两侧，用于获得内外电极边缘灰度图像，通过后续的图像处理获得准确的边缘位置，进行内外电极同轴检测和调整，通过纳米微动台移动外电极使其发生z向位移，采用激光尺测量该z向位移值dz，同时采用平衡电容电桥测量圆柱形电容传感器电容值的变化量dC，以完成位移电容值比例关系dC/dz的测量；当标准质量环施加到带自重平衡的柔性铰链机构上后，带自重平衡的柔性铰链机构带动与其固定连接的内电极将产生与被测力值大小成比例的变形；激光尺将测量到的位移信号输入到PID控制器中，控制器将控制信号输入数字源表，数字源表输出电压U到内外电极上，使内电极位移恢复到初始平衡位置，数据处理及力值计算模块将输入的dz、dC、U信号处理，并计算得到静电力。