[發明專利]微小力的動態測量裝置

有效

• 申請號: 201610590190.6
• 申請日: 2016-07-25
• 公開（公告）號: CN106595942B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 歐陽曉平;何世熠;夏彥;姜利祥;王三勝;韓然;歐學東;沈自才
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01L11/00
• 分類號: G01L11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種微小力的動態測量裝置，包含高真空熱沉系統、磁懸浮轉子系統、測速系統三個子系統。磁懸浮轉子系統包括超導導軌、轉軸、支架、葉片位于高真空熱沉系統內，測速系統中反光板位于葉片上，測速系統的其他部分位于高真空熱沉系統外。低溫狀態下，磁懸浮轉子系統中的超導導軌令該子系統的其他部分即轉子部分穩定懸浮，消除接觸摩擦，并僅保留一個平面旋轉自由度。被測推力附著在磁懸浮轉子系統的每一片葉片的一面上使轉子持續加速，在高真空熱沉系統提供的低溫高真空環境下，磁懸浮轉子系統的轉速時間曲線透過觀察窗被測速系統獲得，進一步計算得到被測推力。

技術領域

本發明涉及一種精確測量微小力的實驗裝置，具體是一種真空懸浮系統配合小型旋轉系統的組合裝置。

背景技術

微小力測量指針對10^-5N以下的力進行精確的測量，其在納米技術、微納制造、生物醫學、航天微推進器等高新領域的發展中，有著廣闊的應用前景和不可動搖的實踐地位。目前，公知的微小力測量系統有四個主要方向，包括原子力顯微鏡懸臂梁技術、基于微摩擦力特性的測量、扭矩式微力測量技術以及靜電力式微力測量等。

文獻“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.”公開了美國國家標準技術研究所基于靜電復現原理設計的靜電力天平。它實現了對大小在10^-8N～10^-4N范圍內的力的測量，相對誤差約為10^-4量級。英國國家物理實驗室利用靜電平衡同樣研制了一套微小力測量系統，測量范圍為10^-9N～10^-6N，分辨率達到了5×10^-11N。更進一步，文獻“ChristianSchlegel,Oliver Slanina,Günther Haucke,Rolf Kumme.Construction of a standardforce machine for the range of 100μN-200mN[J].Measurement,2012:1-5.”公開了德國國家物理實驗室基于導電圓盤擺和一對平行極板研制出的一種電磁力平衡裝置，可測量10^-5N以下的靜態力且分辨率為10^-12N。

在微小力測量方面，國內尚處于初級探索階段。例如文獻“于鵬,董再勵等.亞微牛頓級力測量裝置:中國,201096557Y[P].2008-08-06.”所公開的中國科學院沈陽自動化研究所基于PVDF壓電材料實現的3×10^-6N范圍內精度達2×10^-7N的靜力測量系統，以及文獻“秦海峰，劉永錄.微小力值測量裝置:中國,201477009U[P].2012-05-19.”公開的中國科學院長春光機采用懸臂梁技術，研制出的用以測量范圍在0-3.1×10^-5N，分辨率為4.6×10^-5N的微力傳感器都是國內微小力探測方面的嘗試，但是基本都屬于微電系統應用領域。

以上所述的技術方案均是利用復雜的微電系統和相關效應對微小力進行靜態測量，其發展和應用依賴于微電子電路設計的穩定性以及微電子產品的不斷更新。隨著微電子產業的不斷發展，相關的技術方案均會越發成熟，但是與此同時會出現邊際效應，其進步將越來越大地受限于微電子學的應用極限。因此，從其他領域對微小力測量進行技術方案創新與構造是必要的，這不僅能夠豐富測量手段，還可以將二者進行對比與參考，得到更加先進、更加精確的方法和結果。同時，靜態的微小力測量對于實驗條件的要求十分苛刻，對于結果的得到、認知、判別與分析也十分抽象。

發明內容