基于静电场原理微纳力值测量与标准传递技术研究
本文选题:微纳力值 + 静电场 ; 参考:《天津大学》2014年硕士论文
【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。
[Abstract]:There is an urgent need for accurate measurement of micro-nano force in new materials and new technologies. At present, there is no uniform micro-force measurement and traceability standard in the world, which leads to various kinds of micro-force sensor performance calibration lag. The purpose of this paper is to establish a micro force measurement system in the range of 10-4 and 10-8 N through analysis and research. In this paper, the measurement and standard transfer scheme of micro-nana force based on electrostatic field principle is explored, and the experimental platform is built, and the feasibility of the measurement principle and scheme is proved by experiment. The main contents and innovations of this paper are as follows: 1. The research status in the field of micro-nano-force measurement at home and abroad is systematically analyzed. In view of the deficiency of current research, determine the research direction and content of this subject. The principle of force measurement based on electrostatic field is studied. The variable area cylindrical capacitance sensor is used as the force generating unit through the comparison of various sensors. The formula and influencing factors of capacitance gradient, the key parameter of force calculation, are analyzed. The capacitance gradient measurement scheme based on machine vision is designed. The differential flexure hinge is designed as the force transfer mechanism according to the precision of force value measurement. Based on the mathematical model of hinge, the static and dynamic stiffness are analyzed, and the optimized scheme. A standard device for force measurement and traceability is built, and the functions of each module are introduced. The selection and realization of equipment and components are carried out in hardware, and the optimization of algorithm and the development of man-machine interface are carried out in program design. On the basis of the device, the experiments of capacitance gradient measurement and force value measurement are carried out, which are in line with the design objective. The uncertainty analysis in the measurement system of micro-nano force is carried out. It includes class A uncertainties such as ground vibration, air disturbance and capacitance gradient, voltage source, laser ruler and so on. When measuring the force produced by 2mg code, the relative uncertainty of force value is 2.6. The technology of force standard transfer based on micro force standard device is explored. The advantage of atomic force microscope cantilever beam as a micro-force sensor in mechanical properties is analyzed. The method of calibrating the elastic coefficient of the cantilever beam is used to transfer the standard force value. Three kinds of AFM beams with different sizes are calibrated experimentally. The repeatability error is less than 0.2 N / m, which proves the feasibility of the scheme.
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP212;TB931
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 张贻恭;;微小力值的动态检测关于传感元件的若干探讨与研究[J];辽宁机械;1983年05期
2 李光利;;测力机复现整数牛顿力值时砝码质量的简便计算公式[J];计量技术;1987年02期
3 А.Ф.Остривной;向东;;未来的力值测量方法[J];国外计量;1989年04期
4 李春燕;;获得实验室重力值[J];中国计量;2013年08期
5 郑培亮;;力值砝码检定/校准时应注意的问题[J];工业计量;2006年S2期
6 刘永录;秦海峰;田峰;王磊;;等臂杠杆式小力值标准装置关键技术研究[J];计测技术;2012年03期
7 曾炳凡;;五三所改进六吨二等标准测力机[J];计量技术;1978年06期
8 金毅;;力值的测量史[J];教学仪器与实验;2011年11期
9 胡菊华;;按有限元法分析坝工时地基内边界应力值的估算[J];华北水利水电学院学报;1985年01期
10 李庆忠;;力值溯源与评估[J];工程与试验;2009年S1期
相关会议论文 前3条
1 张春才;禹宝庆;许硕贵;苏佳灿;王家林;牛云飞;康庆林;付青格;高堂成;张鹏;任可;张雪松;严望军;王冠军;汪光晔;万岷;李波;孙建伟;王仁;丛永健;杨郁野;郑医红;李格当;第二军医大学上海长海医院骨科MO课题组;;应用生理性成骨力值的概念治疗骨折与骨不连[A];2008年上海市医用生物材料研讨会论文汇编[C];2008年
2 李可心;孟和;;胫骨骨折修复负重力值测试[A];跨世纪骨伤杰出人才科技成果荟萃[C];2004年
3 侯金睿;夏宗岩;;二维组织轨迹法在儿科领域的应用[A];2008年中华临床医学工程及数字医学大会暨中华医学会医学工程学分会第九次学术年会论文集[C];2008年
相关博士学位论文 前1条
1 郑叶龙;微小力值测量及溯源理论与方法研究[D];天津大学;2015年
相关硕士学位论文 前10条
1 常悦;不同力值对于牙周病大鼠牙槽骨改建的实验研究[D];郑州大学;2015年
2 张国强;基于静电场原理微纳力值测量与标准传递技术研究[D];天津大学;2014年
3 桑婷;弹力链拉伸性能及力值衰减的体外实验研究[D];南昌大学;2007年
4 胡月华;正畸乳胶牵引圈拉伸性能及力值衰减的体外实验研究[D];南昌大学;2009年
5 谌嫦;预拉伸对弹力链力值衰减影响的研究[D];南昌大学;2012年
6 杨凤雪;Micro-CT动态观察不同力值作用下大鼠牙齿移动及复发过程中微观结构的变化[D];重庆医科大学;2015年
7 张yN;瞬间预拉伸后弹力链拉伸力值的体外实验研究[D];吉林大学;2010年
8 刘铮;杠杆式微小力值测量与溯源方法研究[D];天津大学;2013年
9 张钊;烧结次数对金瓷冠微观结构及强度的影响[D];河北医科大学;2002年
10 李俊雄;不同任务强度下人体握力及其控制研究[D];大连理工大学;2012年
,本文编号:2044545
本文链接:https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/2044545.html