[实用新型]一种高精度非接触式三维微小力发生装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及力学计量领域，尤其是一种高精度非接触式三维微小力发生装置。

背景技术

力值是力学中最基本的物理量之一，力值测量广泛地应用于航空航天、船舶、兵器等国防科技领域，在民用领域如电子工业、汽车工业等制造业中也扮演着重要角色。

经过数十年的发展，力值计量已经形成了比较完善的计量体系。目前国内外已经建立起了一定范围内统一、完整的力值计量标准装置。我国目前力值计量标准只是限于大力值（0.1MN~5MN和0.5MN~20MN这两段）和中小力值（10N~1MN）。而对于微小力值的计量一般以标准砝码的重力来衡量。由于砝码本身质量的制约，最小标准砝码(即0.5mg的砝码)可以测量以及溯源的最小力值为微牛级别，而当砝码质量小于毫克级别时，由于质量本身存在很大的不确定度，因此各国并没有建立统一的、小于微牛级别的微小力值计量方法。

此外，采用微小砝码虽然可以测量到微牛级别的力，但仅限于竖直方向。当力的方向为水平方向时，目前通常采用定滑轮悬挂砝码系统来进行。该系统通过砝码在竖直方向上产生的重力，经过滑轮系统转化为水平方向的力进行测量或是标定。该系统方法简单，便于操作，因此在一般水平力值测量中经常被应用。但该系统由于受到摩擦力以及悬挂细线自身重力的影响，当所测水平力值继续减小时（<1mN），其测量误差开始急剧增大，精度急剧降低。当力值变为其他方向时，采用目前的方法很难在其他方向产生出微小标准力。

随着现代科技的飞速发展，新材料、微电子、生物技术以及航空航天技术等领域日新月异，人类认识世界和改造世界的能力从宏观领域进入到微观领域，微纳量级的力值在微纳米量级的加工技术、微小力传感器技术、生物力学量测量、液体表面张力研究、微观摩擦现象的观测以及微型卫星、微型间谍飞行器的姿态调整与定位等许多领域都具有重要的作用。在国务院“十二五”战略性新兴产业规划中，高端装备制造、生物产业以及新材料产业中的许多领域都离不开精确的微小力值计量。

微纳米量级的加工技术、微小力传感器技术、生物力学量测量、液体表面张力研究、微观摩擦现象的观测以及微型卫星、微型间谍飞行器的姿态调整与定位等，都需要对各方向的微小力值进行测量，这其中最为基础的一环便是采用准确的微小力进行标定。目前关于微小力的测量与量值溯源技术，各国的计量科研机构都开展了探索与研究工作。美国国家标准技术研究院（NIST）研究了基于电力学的微小力测量及溯源技术。利用电磁力结合瓦特平衡或是静电力结合福特电压平衡来获得微小标准力值，其标称范围可达到10nN-10mN，通过与1mg，10mg的标准砝码自重相比较，其相对误差为10^-4量级。目前NIST已将建立基于电力学的一级测量标准作为微小力测量实验室的核心目标。德国国家物理技术研究院（PTB）同样采用静电力原理，研制了电容式微小力测试系统，该装置可用于小于10μN的微小力的测量，其分辨率可达10^-12N。英国国家物理实验室（NPL）也准备采用静电力平衡原理，通过平面镜差分干涉仪测量一个电介体在受外力时在电容两极间移动的距离，来测量1nN-1μN的微小力值，其期望精度为50pN。

然而，目前世界各国对于微小力值的计量溯源体系的建立相对滞后，对微小力值的测量并无统一可靠的量值溯源方法。且力是一个矢量，其方向性和量值具有同样的重要程度，当前国内外对于微小力值的研究，绝大多数都集中在竖直方向，对于非竖直方向的微小力值的研究少有报道。但在实际应用中，非竖直方向微小力值比竖直方向微小力值的应用更为频繁，非竖直方向微小力值的精确计量已成为制约相关高端、高精度、新兴产业发展的关键问题。

此外，目前的微小力检测装置大多采用悬臂或是杠杆结构，在接触被检装置时，稍不留神便会发生施加力过大而引起被检测装置损坏或是发生不可恢复的破坏，不够可靠。以目前广泛使用的压电传感器为例，当其接触某些极为灵敏的装置时（如对微牛级力便会有响应的装置），很容易在接触时因用力过大而损坏被测装置或使被测装置产生不可恢复的影响，所以非接触式微小力发生装置极适合对该类装置进行微小力值的校准和标定。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是：提供一种灵活性高、精确和可靠的高精度非接触式三维微小力发生装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：