基于静电力原理的微小力测量与控制系统

摘要

随着科技的快速发展,材料等领域的研宄已经深入到微米级和纳米级尺寸,用于微小力测量的实验仪器越来越广泛的被使用,其在微电子机械系统、显微硬度测试、纳米材料研宄和实验、生物科学研宄及应用等领域发挥了越来越重要的作用。由于受到标准砝码加工技术等因素的制约,国内可溯源及测量的最小的力大约为m N级,处于10_3N-10_4N的范围内。因此迫切需要研制出一种使用方便、准确可靠的微小力计量测试仪器,以提供10_5N以下力的计量。
　　通过查阅国内外参考文献,对国内外研宄成果进行了对比,采用差动式平行四边形柔性铰链结构,通过具体的实验装置探索并验证了基于静电场的微小力测量原理和方案。主要研究内容和工作如下:
　　1.基于虚功原理和能量守恒原理推导了利用静电场复现微小力的原理,分析了电容式传感器的要求,并对不同电容传感器的结构、形状和尺寸进行了对比,利用Ansoft建立了同轴圆柱形电容传感器的仿真模型,并对电场和电势的分布以及电容值的大小进行了仿真。
　　2.讨论了测量系统中弹性敏感元件的要求,并利用AnsysWorkbench对平行四边形柔性机构的刚度和振动模态进行了仿真,针对平行四边形柔性机构的蠕变特性提出了差动结构。
　　3.介绍了系统的测量方案,分析了系统组成中各个主要模块的功能,根据测量需求设计了相应的软件。
　　4.通过系统辨识的方法建立了平行四边形柔性铰链的数学模型,包括模型阶次以及模型参数的辨识。根据系统实际的控制需求采用了自校正PID控制算法完成对平衡待测力所需输出电压的控制。
　　5.搭建测试平台,完成了对内外电极同轴度以及装置电容梯度的测量,通过静电力发生实验验证了利用静电场力进行微小力溯源与测量的原理,实验结果符合预期的实验效果。
　　最后分析了各个模块产生误差的原因,并针对测量系统中存在的不足提出了相应的改进措施。

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第一章绪论

1.1课题背景及研究意义

1 .2国内外研究现状

1.3课题的主要工作以及目标

第二章静电场测量微力的原理

2 .1利用静电场复现微小力的原理

2 .2电容传感器的选择和计算

2 .3本章小结

第三章弹性支撑机构的设计与分析

3 .1弹性支撑机构设计

3 .2柔性铰链的有限元分析与理论计算

3 .3本章小结

第四章微力测量系统的方案与组成

4 .1基于静电场原理的微小力测量方案

4 .2微小力测量装置的系统组成

4 .3测量系统的软件设计

4 .4本章小结

第五章控制系统模型与算法

5 .1弹性机构受力产生位移的模型

5 .2控制器的设计与分析

5 .3本章小结

第六章实验与误差分析

6 .1差动结构的振幅幅度及蠕变测试

6 .2内电极位移长时间蠕变测试

6 .3电容传感器的测量实验

6 .4静电力发生实验

6 .5实验总结

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