[實用新型]微小力值測量裝置

無效

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• 申請日: 2009-07-20
• 公開（公告）號: CN201477009U
• 公開（公告）日: 2010-05-19
• 發(fā)明（設計）人: 秦海峰;劉永錄
• 申請（專利權）人: 中國航空工業(yè)第一集團公司北京長城計量測試技術研究所
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

技術領域

本實用新型是一種微小力值測量裝置，屬于計量測試技術領域。

背景技術

力值是力學計量領域的基礎量值之一。力值測量廣泛地應用于航空、航天、船舶、兵器等國防科技領域，在民用工業(yè)如汽車工業(yè)等制造工業(yè)中也扮演著重要的角色。近些年來，隨著納米計量和微納米機電系統(tǒng)等相關專業(yè)的快速發(fā)展，在其科研和生產(chǎn)中進行了大量的小力值的測量，如納米硬度、薄膜機械性能測試、納米材料彈性模量測試等試驗過程中，都需要對微小力值進行準確的測試，才能保證試驗結果的準確。在納米硬度的測量中，其力值最大僅為10mN，在一些硅薄膜、復合硅薄膜等薄膜材料的機械性能測試過程中使用的負荷傳感器，其量程上限一般不超過4.5N，其分辨率可達到0.005N(5mN)，力值測量誤差一般要求在1％以內。這么小的力值測量的準確與否直接影響著科研和生產(chǎn)過程，影響武器型號的順利完成，這就對小力值的計量提出了新的更高的要求。

目前常見的力標準裝置有靜重式結構的力標準機、杠桿放大結構的力標準機和液壓放大結構的力標準機。傳統(tǒng)的力值加載技術選用滾動導軌或滑動導軌構成定位機構，由于存在著大的機械間隙、摩擦力及爬行現(xiàn)象，所以其運動精度、定位精度很難以達到納米級。高精密的滾珠絲杠副的相鄰螺距誤差約為0.5μm～1μm，螺距累積誤差為(3μm～5μm)/300mm，其定位精度為10μm/300mm，難以滿足需要。由于結構和功能的限制，這些校準設備的力值范圍均不能實現(xiàn)1N以下量程范圍的力值校準。目前常用于較小量程范圍的力值校準的設備為靜重式機構的力標準機，而這類設備中均需要有反向器機構，且這一機構需作為裝置的第一級力值，而由于結構和材料的限制，這一級力值不可能做到很小，所以當力值足夠小時，此種結構不再具有可行性。對于杠桿放大結構的力標準機和液壓放大結構的力標準機均適用于較大力值校準。

發(fā)明內容

本實用新型正是針對上述現(xiàn)有技術中存在的不足而設計提供了一種微小力值測量裝置，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應可產(chǎn)生微位移的特性，壓電陶瓷在電壓控制下可獲得較高的位移分辨力，起位移控制精度可以達到±5nm，而且其頻率響應高，動態(tài)響應快，且結構簡單，受外力干擾小，能夠提供推動納米定位機構的力，并保證足夠的動剛度。其特性正好可以克服傳統(tǒng)絲杠螺母加載機構的缺點，適用于作為微小力值的加載機構。

本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

該種微小力值測量裝置，包括帶滾珠絲杠的立柱、螺母、轉接板、動橫梁、步進電機及其控制器、精密力測量裝置、壓電陶瓷模塊及其控制器、底座和電子計算機。其中，步進電機與滾珠絲缸直接連接，動橫梁通過螺母和轉接板也與滾珠絲缸連接，壓電陶瓷力值加載模塊安裝在動橫梁下方，帶滾珠絲缸的立柱安裝在底座上，精密力測量裝置也放置在底座上。特征在于：在動橫梁的下方安裝一個基于壓電陶瓷原理的直線驅動力值加載模塊，并與運動控制器連接，壓電陶瓷控制器和電子計算機相連。

壓電陶瓷是具有壓電效應的壓電材料。在經(jīng)過極化處理的陶瓷體上沿其極化方向施加一個機械力(或釋放壓力)時，陶瓷體產(chǎn)生充(放)電現(xiàn)象，即正壓電效應；反之，若在陶瓷體上施加一個與極化方向相同(或相反)的電場，則會引起陶瓷片伸長(或縮短)的形變，即逆壓電效應。

壓電效應和逆壓電效應可表示為

D＝dT+ε^TE????(1)

X＝x^ET+dE?????(2)

式中D為電位移；d為壓電常數(shù)；X為應變；ε^T為自由介電常數(shù)；T為應力；E為電場強度；x^E為彈性常數(shù)。

式(1)表示正壓電效應，式(2)表示逆壓電效應，利用壓電陶瓷的逆壓電效應可產(chǎn)生微位移。

本實用新型利用壓電陶瓷的逆壓電效應可產(chǎn)生微位移的特性，壓電陶瓷在電壓控制下可獲得較高的位移分辨力，其頻率響應高、動態(tài)響應快、且結構簡單、受外力干擾小，能夠提供推動納米定位機構的力，并保證足夠的動剛度。其特性正好可以克服傳統(tǒng)絲杠螺母加載機構的缺點，適用于作為微小力值的加載機構，實現(xiàn)微小力值的測量。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖和實施例對本實用新型產(chǎn)品作進一步地詳述：