隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展,微小力值的計量廣泛應(yīng)用于在醫(yī)學(xué)、制造加工、微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域。因此,研究微小力值的測量具有非常重要的意義。隨著表面化學(xué)的發(fā)展及觀測手段的提高,荷葉的"自清潔效應(yīng)"逐漸被人們所認知,這為超疏水表面的人工制備奠定了基礎(chǔ),進而促進了超疏水表面的實際應(yīng)用。通過計算我們發(fā)現(xiàn):室溫下的水滴將對直徑為毫米級別的聚丙烯小球產(chǎn)生大小為毫牛級別的界面張力。本文采用一種新的設(shè)計思路,利用界面張力實現(xiàn)微力的測量。主要工作和結(jié)論如下:(1)我們通過分析界面張力產(chǎn)生的原因,研究了小球與液滴的相互作用機理,以及查閱文獻和公式推導(dǎo)得出了液滴對小球界面張力的計算公式;并選擇了一種合適的方法進行超疏水表面的制備;初步設(shè)計出簡單的機械裝置,完成各零件的加工,組裝裝置的初級模型,并進行初步的拉伸實驗;進行圖像處理,分析微力測量裝置設(shè)計的合理性。(2)根據(jù)裝置的工作原理及工作特點,對相應(yīng)的零部件進行重新設(shè)計、加工并裝配;選擇合適的控制單元、驅(qū)動機構(gòu),對運動機構(gòu)的工作精度進行校正;選擇合適的工業(yè)相機;進行圖像處理程序的優(yōu)化。(3)通過實驗測量懸臂梁彈性系數(shù),并選取合適的懸臂梁進行后面的實驗驗證,提出了一種測量懸臂梁彈性系數(shù)的新方法;測量出水與小球接觸角的大小并分析其合理性;用已知彈性系數(shù)的懸臂梁驗證裝置測量的精確度,并分析不同拉伸速率下的實驗結(jié)果,得出在較低的拉伸速率下可以精確測量出懸臂梁的彈性系數(shù);進行細絲的拉伸實驗,通過分析實驗結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)目前的裝置并不能進行細絲力學(xué)性能的測量,其原因是小球與基底之間存在摩擦力,為此,我們又提出懸掛小球的方法,以便達到消除摩擦力影響的目的;我們經(jīng)分析得出該裝置的理論測量誤差為2.37%(小于5%),證明該裝置滿足裝置的設(shè)計要求。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH823
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題的研究背景和意義
    1.2 微力測量裝置的研究現(xiàn)狀
    1.3 界面張力測量裝置的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 液-氣界面張力
        1.3.2 液體界面張力系數(shù)的測定
        1.3.3 基于界面張力的微力測量裝置
    1.4 課題研究的目的意義和研究內(nèi)容
        1.4.1 課題研究的目的意義
        1.4.2 課題的研究內(nèi)容
第2章 微力測量裝置的初步設(shè)計與驗證
    2.1 理論公式的推導(dǎo)
        2.1.1 理想狀況下的直線型接觸公式
        2.1.2 理想狀況下的球型接觸公式
    2.2 樣品的制備
        2.2.1 鋁表面上超疏水表面的制備
        2.2.2 玻璃片上超疏水表面的制備
        2.2.3 基底表面的選擇
    2.3 裝置的設(shè)計原理
        2.3.1 原子力顯微鏡
        2.3.2 光鑷
    2.4 裝置的初步設(shè)計
        2.4.1 螺旋測微器的選取
        2.4.2 滑板的設(shè)計
        2.4.3 底座的設(shè)計
        2.4.4 裝置的操作過程
    2.5 圖像的獲取及處理
        2.5.1 MATLAB圖像處理技術(shù)
        2.5.2 圖像的數(shù)據(jù)處理
        2.5.3 圖像的數(shù)據(jù)分析
    2.6 本章小結(jié)
第3章 微力測量裝置的自動化設(shè)計
    3.1 引言
    3.2 零件的設(shè)計改進
        3.2.1 底座的改進
        3.2.2 移動滑板的改進
        3.2.3 絲狀待測物體固定裝置的設(shè)計
        3.2.4 微懸臂固定裝置的設(shè)計
        3.2.5 超疏水表面固定裝置的設(shè)計
        3.2.6 裝置工作原理及實物圖
    3.3 基于單片機的直線步進電機技術(shù)
        3.3.1 單片機控制技術(shù)
        3.3.2 驅(qū)動器
        3.3.3 直線步進電機
        3.3.4 步進電機的自動控制
        3.3.5 遇到的問題及解決方法
    3.4 工業(yè)相機的選取
    3.5 圖像的獲取及處理
    3.6 本章小結(jié)
第4章 微力測量裝置的實驗分析
    4.1 實驗求解水與小球接觸角
        4.1.1 懸臂梁材料的選取
        4.1.2 懸臂梁尺寸的選取
        4.1.3 水與小球接觸角的分析
    4.2 懸臂梁拉伸的實驗結(jié)果與分析
        4.2.1 懸臂梁彈性系數(shù)測量精度的分析
        4.2.2 不同拉伸速率下的實驗分析
    4.3 細絲拉伸的實驗分析
    4.4 理論誤差分析
    4.5 裝置的其它使用用途
    4.6 本章小結(jié)
結(jié)論
致謝
參考文獻
攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果

【參考文獻】

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本文編號：2840773