基于界面张力的微力测量装置的研制

摘要

随着现代科技的高速发展，微小力值的计量广泛应用于在医学、制造加工、微机电系统等领域。因此，研究微小力值的测量具有非常重要的意义。随着表面化学的发展及观测手段的提高，荷叶的“自清洁效应”逐渐被人们所认知，这为超疏水表面的人工制备奠定了基础，进而促进了超疏水表面的实际应用。通过计算发现:室温下的水滴将对直径为毫米级别的聚丙烯小球产生大小为毫牛级别的界面张力。本文采用一种新的设计思路，利用界面张力实现微力的测量。主要工作和结论如下:
　　(1)通过分析界面张力产生的原因，研究了小球与液滴的相互作用机理，以及查阅文献和公式推导得出了液滴对小球界面张力的计算公式;并选择了一种合适的方法进行超疏水表面的制备;初步设计出简单的机械装置，完成各零件的加工，组装装置的初级模型，并进行初步的拉伸实验;进行图像处理，分析微力测量装置设计的合理性。
　　(2)根据装置的工作原理及工作特点，对相应的零部件进行重新设计、加工并装配;选择合适的控制单元、驱动机构，对运动机构的工作精度进行校正;选择合适的工业相机;进行图像处理程序的优化。
　　(3)通过实验测量悬臂梁弹性系数，并选取合适的悬臂梁进行后面的实验验证，提出了一种测量悬臂梁弹性系数的新方法;测量出水与小球接触角的大小并分析其合理性;用已知弹性系数的悬臂梁验证装置测量的精确度，并分析不同拉伸速率下的实验结果，得出在较低的拉伸速率下可以精确测量出悬臂梁的弹性系数;进行细丝的拉伸实验，通过分析实验结果我们发现目前的装置并不能进行细丝力学性能的测量，其原因是小球与基底之间存在摩擦力，为此，我们又提出悬挂小球的方法，以便达到消除摩擦力影响的目的;我们经分析得出该装置的理论测量误差为2.37％（小于5％），证明该装置满足装置的设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 微力测量装置的研究现状

1．3 界面张力测量装置的研究现状

1．3．1 液-气界面张力

1．3．2 液体界面张力系数的测定

1．3．3 基于界面张力的微力测量装置

1．4 课题研究的目的意义和研究内容

1．4．1 课题研究的目的意义

1．4．2 课题的研究内容

第2章 微力测量装置的初步设计与验证

2．1 理论公式的推导

2．1．1 理想状况下的直线型接触公式

2．1．2 理想状况下的球型接触公式

2．2 样品的制备

2．2．1 铝表面上超疏水表面的制备

2．2．2 玻璃片上超疏水表面的制备

2．2．3 基底表面的选择

2．3 装置的设计原理

2．3．1 原子力显微镜

2．3．2 光镊

2．4 装置的初步设计

2．4．1 螺旋测微器的选取

2．4．2 滑板的设计

2．4．3 底座的设计

2．4．4 装置的操作过程

2．5 图像的获取及处理

2．5．1 MATLAB图像处理技术

2．5．2 图像的数据处理

2．5．3 图像的数据分析

2．6 本章小结

第3章 微力测量装置的自动化设计

3．1 引言

3．2 零件的设计改进

3．2．1 底座的改进

3．2．2 移动滑板的改进

3．2．3 丝状待测物体固定装置的设计

3．2．4 微悬臂固定装置的设计

3．2．5 超疏水表面固定装置的设计

3．2．6 装置工作原理及实物图

3．3 基于单片机的直线步进电机技术

3．3．1 单片机控制技术

3．3．2 驱动器

3．3．3 直线步进电机

3．3．4 步进电机的自动控制

3．3．5 遇到的问题及解决方法

3．4 工业相机的选取

3．5 图像的获取及处理

3．6 本章小结

第4章 微力测量装置的实验分析

4．1 实验求解水与小球接触角

4．1．1 悬臂梁材料的选取

4．1．2 悬臂梁尺寸的选取

4．1．3 水与小球接触角的分析

4．2 悬臂梁拉伸的实验结果与分析

4．2．1 悬臂梁弹性系数测量精度的分析

4．2．2 不同拉伸速率下的实验分析

4．3 细丝拉伸的实验分析

4．4 理论误差分析

4．5 装置的其它使用用途

4．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果