基于静电场原理微纳力值测量与标准传递技术研究

摘要

微纳力值的准确计量在新材料、新技术领域有着迫切需求。目前国际上尚无统一的微力测量与溯源标准，导致各种类型微力传感器性能标定滞后。课题旨在通过分析研究，建立10-4~10-8N范围内的微力计量体系。本文探索了基于静电场原理的微纳力值测量和力值标准传递方案，完成了实验平台搭建，实验证明了测量原理和方案的可行性。论文的主要研究内容和创新如下：
　　1.系统分析了国内外在微纳力值计量领域的研究现状。针对当前研究的不足，确定本课题的研究方向和内容。
　　2.研究了基于静电场原理进行力值测量的原理，通过对各种传感器的比较采用变面积圆柱形电容传感器作为力发生单元。分析了力值计算的关键参量——电容梯度的计算公式和影响因素。设计了基于机器视觉的电容梯度测量方案。
　　3.根据力值测量精度需要，设计了差动式柔性铰链作为力值传递机构。基于铰链的数学模型，分析了静态刚度和动态刚度，并提出了优化方案。
　　4.搭建了力值测量与溯源标准装置，介绍了各个模块的功能。硬件上进行了设备、构件的选择与实现；程序设计上进行了算法优化和人机交互界面开发。在该装置基础上进行了电容梯度测量和力值测量实验，符合设计目标。
　　5.进行微纳力值测量系统中不确定度分析。包括地面振动、空气扰动等A类不确定度和电容梯度、电压源、激光尺等引起的B类不确定度。在测量2mg法码产生的力时，力值相对不确定度2.6％，达到课题目标要求。
　　6.探索了基于微力标准装置的力值标准传递技术。分析原子力显微镜悬臂梁作为微力传感器在力学特性上的优势，采用标定悬臂梁弹性系数的方法进行力值标准传递。对三种不同尺寸的AFM梁进行实验标定，重复性误差小于0.2N/m，证明了方案的可行性。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

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

2.1静电场原理微纳力值测量

2.2 静电力发生装置设计

2.3 圆柱形电容器电容梯度计算

本章小结

第三章 微纳力值测量系统搭建

3.1测量系统组成

3.2力值传递机构设计

3.3硬件选择与实现

3.4系统程序设计

本章小结

第四章 微纳力值测量与不确定度分析

4.1电容梯度测量

4.2静电力复现微纳力值

4.3微力测量不确定度分析

本章小结

第五章 微纳力值标准传递

5.1基于AFM悬臂梁的力值标准传递

5.2常用悬臂梁弹性系数标定方法

5.3基于微力测量系统的弹性系数标定

5.4微悬臂梁弹性系数标定实验

本章小结

总结与展望

参考文献

发表论文及参加科研情况说明

致谢