基于光纤光学系统的微观粘着测试仪器研制

摘要

粘附是微/纳米尺度下十分普遍和突出的现象。实践证明，随着材料和加工尺寸的日趋减小，表面效应和尺度效应对微机电系统(MEMS)的影响越来越明显。微构件粘附是造成MEMS失效的主要原因之一，也是导致MEMS性能不稳定而难以走向市场的关键所在。 过去20多年间，扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)及表面力仪(SFA)等在微观粘着的研究中发挥着很大作用。但其价格昂贵且一般工作范围为nN量级，而在微构件的粘附过程中，力的大小往往处于μm-mN量级范围。目前还没有比较成熟的μm-mN范围的商品化测试仪器，因此，本文的研究工作将为探究界面粘着的作用机制及其影响规律提供有效的测试手段。 本文在分析总结国内外微观粘着测试技术研究现状的基础上，研制了一台基于光纤光学系统的微观粘着测试仪器，它能够实现测试参数如预载荷、分离速度和停留时间等的控制。本文完成的主要研究工作和创新如下： (1)设计了由光纤位移传感器和双叶悬臂梁组成的非接触式微力测量装置，分析了双叶悬臂梁的力学特性。采用双叶悬臂梁消除了切向力和法向力的耦合影响，有效地提高了测试系统的灵活性、扩展性和可靠性。 (2)设计了由步进电机控制系统和压电陶瓷控制系统组成的微动工作台，实现了粗调与微调相结合的分步进给方式。引入PID控制算法，提高了加载精度。设计了以直圆柔性铰链支撑的复合平行四杆机构为基础的压电陶瓷装夹机构，研究了MTp200/10×10/20压电陶瓷驱动器的非线性、迟滞特性和蠕变特性，分析了压电陶瓷控制技术的国内外研究现状。 (3)构建了数据采集和显微视频系统，实现了粘着力数据和接触区域图像的采集、分析处理、显示和保存等功能。为分析被测试样表面微观结构变化和研究微观接触力学理论提供了测试手段。 (4)分析了本测试系统的静态特性。并对纳米级薄膜材料进行了微观粘着性能测试及研究，实验结果证明了仪器测试的稳定性与可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1基于应变片的粘着测试装置

1.2.2基于电容式传感器的粘着测试装置

1.2.3基于压电式力传感器的粘着测试装置

1.2.4基于分析天平的粘着测试装置

1.2.5基于光学检测的粘着测试装置

1.3本文的研究内容

第2章测试系统总体方案设计

2.1硬件结构及工作原理

2.2软件系统

2.2.1虚拟仪器技术

2.2.2测试系统程序设计

2.3本章小结

第3章微力测量装置设计

3.1测力方案分析

3.2光纤位移传感器的选择

3.2.1光纤传感技术的原理及应用

3.2.2 KD-300的性能指标

3.2.3光纤探头微调结构设计

3.3弹性敏感元件设计

3.3.1双叶悬臂梁结构设计与制作

3.3.2双叶悬臂梁的特性分析

3.4本章小结

第4章微动工作台设计

4.1微动工作台结构与功能

4.2步进电机控制系统

4.2.1步进电机工作原理及结构

4.2.2步进电机驱动方式

4.2.3运行控制卡的选择

4.2.4电动平移台误差分析

4.3步进电机PID控制方法

4.3.1数字PID控制算法

4.3.2步进电机PID控制程序

4.3.3 PID控制实验分析

4.4压电陶瓷驱动器控制系统

4.4.1压电陶瓷及其驱动电源

4.4.2压电陶瓷装夹机构设计

4.4.3压电陶瓷特性及控制方法研究

4.5本章小结

第5章数据采集与显微视频系统

5.1数据采集系统

5.1.1数据采集卡的选择

5.1.2数据采集与处理程序

5.2显微视频系统

5.2.1系统组成及功能

5.2.2系统分辨率和视频放大倍率

5.2.3接触半径的计算

5.3本章小结

第6章测试系统静态特性和实验分析

6.1静态特性分析

6.2实验分析

6.3本章小结

第7章结论和展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果