可溯源微纳力值测量系统的优化设计与实验研究

摘要

现阶段在微纳研究领域中，对于微小力(10-8～10-4N)的测量与溯源尚未形成统一的方案，然而在材料科学、电力电子、航空、微纳制造等多个领域，微纳力值得到了普遍的应用，因此迫切需要形成统一的测量与溯源标准以提升相关领域中的关键技术。
　　本文在总结了前人工作的基础上，完成了对基于静电力原理的微小力测量系统的研究，本文研究的主要内容及完成的工作如下:
　　1、分析了微纳力值测量标准建立的意义，详述了国内外研究现状和实验室的前期研究成果。
　　2、介绍了测量系统的工作原理—静电力原理，以及测量系统中的各个功能模块。
　　3、由于测量系统测量的量程及精度主要是由弹性元件来决定，设计了平行四边形铰链作为系统的力值敏感元件，并对其进行了静力学和动力学分析，为了降低蠕变对测量精度的影响，设计了差动式铰链方案作为最终的力值敏感结构。设计了带自重平衡的柔性铰链，可降低电极长期悬挂及铰链自重造成的蠕变，为了探索更小量级的力值测量，设计了簧片式弹性支撑。
　　4、改进了基于双目视觉的内外电极同轴度测量与调整系统，设计了亚像素级的图像处理算法，配合电控调整平台能达到偏轴调整精度5μm，偏角调整精度0.030°，该方案理论上可使电容梯度的相对不确定度小于万分之一。设计了电容梯度标定方案，电容梯度标定的相对标准不确定度低于千分之一。
　　5、完成了测量系统的装置搭建，以及测量系统中重要元器件的选型，编写了用于微力测量的整套软件。
　　6、进行了电容器同轴度测量与姿态调整实验、电容梯度标定实验、铰链刚度测试实验、质量与静电力比对实验、真空环境力值测量实验、簧片结构的分辨力测试实验等，并分析了测量系统的误差来源和相对标准不确定度。基于差动式铰链的测量系统在10μN到100μN范围内的力值测量相对标准不确定度小于2.5％，而簧片结构作为弹性敏感元件时可使系统分辨力达到nN级。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究目标及主要工作

第二章 系统测量原理及组成

2．1 静电力原理

2．2 电容传感器的类型选择

2．3 微力测量系统的工作原理

2．4 测量系统要达到的技术指标

第三章 微力测量系统中弹性敏感元件的设计与改进

3．1 弹性元件的选择

3．2 平行四边形柔性铰链刚度计算

3．2．1 静态刚度

3．2．2 动态刚度

3．3 选择材料

3．4 铰链的刚度及尺寸参数

3．4．1 确定刚度及尺寸

3．4．2 加工精度对于铰链刚度影响

3．5 柔性铰链的优化设计

3．5．1 铰链减重、减小塑性变形

3．5．2 铰链的过重保护

3．6 模态分析

3．7 铰链的差动工作方式

3．7．1 蠕变

3．7．2 差动方式消除共模信号

3．8 自重平衡铰链

3．9 簧片

第四章 电容传感器同轴度测量与电容梯度标定

4．1 内外电极轴线偏离时的电容梯度

4．1．1 偏轴对电容梯度的影响

4．1．2 偏角对电容梯度的影响

4．2 同轴度测量与调整

4．2．1 同轴度测量与调整方案硬件设计

4．2．2 亚像素边缘检测

4．2．3 微力测量系统中的同轴度测量的软件与算法设计

4．2．4 同轴度调整的精度及对电容梯度的影响

4．3 电容梯度标定

4．3．1 电容梯度标定方案设计及标定实验

4．3．2 屏蔽线及接线对电容梯度的影响

第五章 测量系统的装置搭建

5．1 装置整体介绍

5．2 测量装置分块介绍

5．2．1 铰链与内电极固定与调整装置

5．2．2 纳米微动台及外电极固定与调整装置

5．2．4 自动加载装置

5．2．5 相机与光源

5．2．6 数字源表

5．2．7 电容电桥

5．3 软件控制界面

第六章 实验与误差分析

6．1 柔性铰链的刚度测试

6．2 柔性铰链固有频率测试

6．3 微纳力值测量实验

6．3．1 质量加载测力实验

6．3．2 静电力与标准质量比对

6．3．3 真空环境内静电力发生实验

6．4 簧片测力的分辨力实验

6．5 误差来源及解决方案

6．6 不确定度分析

第七章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢