王曉鋒， 劉正士， 王 勇， 王云燕， 龍 燦

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

隨著人類對海洋研究的不斷深入和海洋工程建設規(guī)模的不斷擴大，對海洋流速測量的技術要求逐漸提高。海流測量不僅需要測量速度較大的水平流速，還需要測量極其微小的上升流［1］，微小上升流產生的升力可低至μN級［2］，因此研制測量微小上升流的流速傳感器的重要性越來越突出［3］。

目前，微力測量的原理主要有原子力顯微鏡懸臂梁技術、壓阻式測力、電容式測力等［4］。原子力顯微鏡懸臂梁加工精度高，價格昂貴，測量受材料表面特性影響大，對不同材料的測量標準尚不統(tǒng)一［5］；壓阻式測力是利用壓阻材料的壓阻效應制備的一種力測量裝置，但是這種方法易受到溫度的影響［6］；電容式測力裝置易受到電磁場的干擾［7］；文獻［8］研究的微力標定與測量裝置主要針對的是微力的產生，未涉及微力的測量。

本文設計的微力測量裝置，是基于柔性鉸鏈和杠桿原理，首先將要測量的微力利用杠桿原理進行放大，放大后的微力在裝置上產生應變，敏感元件將應變信息轉換為電信號輸出。裝置結構簡單，容易加工制造，柔性鉸鏈的應用減少了系統(tǒng)中的摩擦環(huán)節(jié)［9］，提高了測量精度。

目前關于消除重力場影響的機構研究很少，而本文設計的微力測量裝置自身重力產生的影響可能遠遠大于所要測量的微力，因此必須對裝置在重力場中的性能加以分析［10］。本文在考慮重力場（文中所講重力場是指g＝9.8m／s2）影響后，對裝置進行改進設計，最終采用對稱配重的差動結構方案。

1 單側微力測量裝置

1.1 工作原理

單級柔性鉸鏈杠桿機構的優(yōu)點是結構簡單、傳動阻力小，但如果想得到較大的放大倍數則必須延長杠桿臂長，這在某些限制空間內很難得到應用［11］；多級杠桿放大機構的優(yōu)點是可以在相對狹小的空間里獲得比單級杠桿更大的放大倍數，但多級杠桿隨著級數的增加傳遞力的損耗也增大，且結構復雜、影響因素增多［12］。綜合以上因素，并考慮到傳感器外殼尺寸的限制，在達到預定功能的前提下，本文裝置選用3級杠桿機構，示意圖如圖1所示。

圖1 3級杠桿力微力放大原理

圖1中，杠桿ABC為一級桿；DEF為二級桿；GHI為三級桿；GF、DC為連接桿；裝置的支撐和連接部位B、C、D、E、F、G和 H處均采用柔性鉸鏈。點A為輸入端，施加向下的力F，經一級桿ABC放大后經過連接桿CD傳遞到二級桿上，二級桿DEF再次放大傳遞到三級桿GHI上并通過輸出端I輸出力Ft，方向向上。Ft在輸出端產生應變，應變信號經處理后輸出所測量的微力信息。裝置參數見表1所列。

根據文獻［2］初步確定機構的整體厚度為5mm，柔性鉸鏈半徑為2.9mm，柔性鉸鏈最薄處為0.2mm。由杠桿原理計算可知，單側裝置的力放大比為：

表1 裝置的尺寸參數 mm

1.2 單側裝置有限元分析

微力測量裝置安裝在三維海流傳感器內，傳感器空間有限，在不改變放大倍數的前提下，適當調整其結構形式。通過三維建模軟件Pro／E建立機構的三維模型如圖2所示。

圖2 單側微力測量裝置三維模型

將Pro／E與ANSYS的接口恰當設置，三維模型導入有限元軟件ANSYS進行力學分析［13］。選用材料為鈦合金TA1，鈦合金具有比重低、強度高、耐熱性高、耐蝕性好等特點，被廣泛用于各個領域。TA1抗拉強度為343MPa，屈服強度為275MPa，泊松比為0.33，彈性模量為107GPa，密 度ρ＝ 4.5g／cm3［14］。 定 義 單 元 類 型 為20solid186，模型邊界約束條件是柔性鉸鏈B、E、H上表面為全約束，約束輸出端查看其約束反力。在輸入端加載不同質量的砝碼，即加載垂直向下的不同大小的微力，在輸出端得到放大的力以及產生的應變，計算結果見表2所列。

表2 單側裝置不同輸入載荷分析結果

由表2可以看出，裝置在輸入端A加載不同質量的砝碼，輸出端I都可以輸出穩(wěn)定的力及應變響應，微力放大比達到747。輸入端輸入1μN時產生的應變值為1.27×10－8，應變值較小，需要進一步改進結構以增大應變。

1.3 單側裝置在重力場下分析

裝置測量海流上升微力時需考慮重力影響。單側裝置在重力場下的變形云圖如圖3所示。

圖3 重力場下單側裝置Y方向位移云圖

由計算可知，在重力場下，單側裝置輸入端空載位移達到14.38mm，輸出端約束反力達到188.08N，最大應力為630.52MPa。位移偏移量遠遠超出不考慮重力時的輸出位移，放大裝置輸出端由于重力作用產生的力也遠遠大于要測量的μN級別，且最大應力已超過鈦合金的屈服強度。，因此，必須改進裝置的結構來增大輸出端應變并消除重力的影響。

2 裝置改進

2.1 對稱差動式結構

為消除重力影響、提高測量精度，將放大機構雙側對稱布置，采用差動式結構。差動式垂直微力測量裝置在重力場下的變形云圖如圖4所示。

圖4 重力場下差動式微力測量裝置位移云圖

由計算可知，裝置輸入端空載時位移為0.05mm，與單側裝置相比，下降了99.6%，有效減小了重力影響。輸出端與單側裝置相比，差動結構更利于力應變片的布置，提高測量精度。

2.2 配重塊設計

對稱差動式裝置有效地減小了自身重力對裝置的影響，但一級杠桿對稱布置時尺寸太大，二級、三級杠桿的自身重力也對測量結果產生較大影響，需進一步改進。根據力矩平衡和對稱結構的原理，采用配重塊代替裝置的對稱布置，將一級放大機構的重心調整到一級支點處，二級、三級杠桿中心調到各自的支點處，經計算確定杠桿所需配重塊質量。同時一級桿采用變截面梁，進一步減小了桿件自身和配重塊的重力。

2.3 輸出端改進

微力經三級杠桿放大，在輸出端產生應變，應變片在檢測到應變之后將應變信號轉變?yōu)殡娦盘栞敵?。本測量裝置選用最為常用的箔式電阻應變片。為了產生足夠應變，根據ε＝σ／E，在輸出端應選擇應力較大的位置布置傳感器。由σ＝F／A可知，增大應力可增大載荷、減小橫截面面積；由杠桿原理可知，力臂越短、載荷越大。綜合以上因素，輸出端的改進可以采取以下措施：① 靠近支點的位置布置應變片；② 減小應變片位置橫截面的面積，對桿件開孔。最終確定的三維模型結構如圖5所示。

圖5 改進后裝置三維模型

3 差動式垂直微力測量裝置分析

利用三維建模軟件Pro／E建立裝置模型，導入有限元軟件ANSYS進行分析，經過約束和加載不同載荷后得到輸出端應變，計算結果見表3所列。

由表3可知，在輸入端輸入微小力值，改進后的裝置可以產生良好的線性應變，從而通過力傳感器輸出其響應。通過計算，輸入端輸入6μN時，輸出端產生的應變?yōu)?×10－6。由表3和表2對比可知，裝置經改進后輸出端產生更大的應變，同時由計算可知，三級對稱差動式配重的設計使輸入端空載時在重力場下位移為39.235μm，與對稱式布置裝置相比，最大位移偏移下降了21.5%，與單側裝置相比下降了99.8%，基本消除了裝置的自身重力影響。所以，裝置的改進是成功的。

表3 改進后裝置不同輸入載荷分析結果

4 結束語

本文設計了一種垂直微力測量裝置，此裝置基于杠桿原理，以柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩擦副鉸鏈，在輸入端輸入μN級微力，經過3級杠桿放大機構，能夠在輸出端產生足夠應變，并通過應變片和調理電路輸出測量結果，實現微力的測量。此裝置為三維瞬時海流傳感器上升流微力的測量提供了技術支持，并且此裝置利用對稱配重的差動式結構基本消除了重力場的影響。此設計同時為微力的測量提供了一種新方法，為微小力值的測力系統(tǒng)提供技術支持，并且結構簡單、操作方便、價格低廉、量程大，有良好的發(fā)展前景。

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