本文選題：微納力值 + 靜電場��； 參考：《天津大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：微納力值的準(zhǔn)確計(jì)量在新材料、新技術(shù)領(lǐng)域有著迫切需求。目前國際上尚無統(tǒng)一的微力測量與溯源標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致各種類型微力傳感器性能標(biāo)定滯后。課題旨在通過分析研究,建立10-4~10-8N范圍內(nèi)的微力計(jì)量體系。本文探索了基于靜電場原理的微納力值測量和力值標(biāo)準(zhǔn)傳遞方案,完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建,實(shí)驗(yàn)證明了測量原理和方案的可行性。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下:1.系統(tǒng)分析了國內(nèi)外在微納力值計(jì)量領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。針對(duì)當(dāng)前研究的不足,確定本課題的研究方向和內(nèi)容。2.研究了基于靜電場原理進(jìn)行力值測量的原理,通過對(duì)各種傳感器的比較采用變面積圓柱形電容傳感器作為力發(fā)生單元。分析了力值計(jì)算的關(guān)鍵參量——電容梯度的計(jì)算公式和影響因素。設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的電容梯度測量方案。3.根據(jù)力值測量精度需要,設(shè)計(jì)了差動(dòng)式柔性鉸鏈作為力值傳遞機(jī)構(gòu)�；阢q鏈的數(shù)學(xué)模型,分析了靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度,并提出了優(yōu)化方案。4.搭建了力值測量與溯源標(biāo)準(zhǔn)裝置,介紹了各個(gè)模塊的功能。硬件上進(jìn)行了設(shè)備、構(gòu)件的選擇與實(shí)現(xiàn);程序設(shè)計(jì)上進(jìn)行了算法優(yōu)化和人機(jī)交互界面開發(fā)。在該裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行了電容梯度測量和力值測量實(shí)驗(yàn),符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。5.進(jìn)行微納力值測量系統(tǒng)中不確定度分析。包括地面振動(dòng)、空氣擾動(dòng)等A類不確定度和電容梯度、電壓源、激光尺等引起的B類不確定度。在測量2mg法碼產(chǎn)生的力時(shí),力值相對(duì)不確定度2.6%,達(dá)到課題目標(biāo)要求。6.探索了基于微力標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值標(biāo)準(zhǔn)傳遞技術(shù)。分析原子力顯微鏡懸臂梁作為微力傳感器在力學(xué)特性上的優(yōu)勢(shì),采用標(biāo)定懸臂梁彈性系數(shù)的方法進(jìn)行力值標(biāo)準(zhǔn)傳遞。對(duì)三種不同尺寸的AFM梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,重復(fù)性誤差小于0.2N/m,證明了方案的可行性。
[Abstract]:There is an urgent need for accurate measurement of micro-nano force in new materials and new technologies. At present, there is no uniform micro-force measurement and traceability standard in the world, which leads to various kinds of micro-force sensor performance calibration lag. The purpose of this paper is to establish a micro force measurement system in the range of 10-4 and 10-8 N through analysis and research. In this paper, the measurement and standard transfer scheme of micro-nana force based on electrostatic field principle is explored, and the experimental platform is built, and the feasibility of the measurement principle and scheme is proved by experiment. The main contents and innovations of this paper are as follows: 1. The research status in the field of micro-nano-force measurement at home and abroad is systematically analyzed. In view of the deficiency of current research, determine the research direction and content of this subject. The principle of force measurement based on electrostatic field is studied. The variable area cylindrical capacitance sensor is used as the force generating unit through the comparison of various sensors. The formula and influencing factors of capacitance gradient, the key parameter of force calculation, are analyzed. The capacitance gradient measurement scheme based on machine vision is designed. The differential flexure hinge is designed as the force transfer mechanism according to the precision of force value measurement. Based on the mathematical model of hinge, the static and dynamic stiffness are analyzed, and the optimized scheme. A standard device for force measurement and traceability is built, and the functions of each module are introduced. The selection and realization of equipment and components are carried out in hardware, and the optimization of algorithm and the development of man-machine interface are carried out in program design. On the basis of the device, the experiments of capacitance gradient measurement and force value measurement are carried out, which are in line with the design objective. The uncertainty analysis in the measurement system of micro-nano force is carried out. It includes class A uncertainties such as ground vibration, air disturbance and capacitance gradient, voltage source, laser ruler and so on. When measuring the force produced by 2mg code, the relative uncertainty of force value is 2.6. The technology of force standard transfer based on micro force standard device is explored. The advantage of atomic force microscope cantilever beam as a micro-force sensor in mechanical properties is analyzed. The method of calibrating the elastic coefficient of the cantilever beam is used to transfer the standard force value. Three kinds of AFM beams with different sizes are calibrated experimentally. The repeatability error is less than 0.2 N / m, which proves the feasibility of the scheme.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP212;TB931

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