基于FBG纳米测量系统的微观表面作用力机理研究

发布时间：2022-02-24 12:20

　　研究表明,当微纳测头的尺度达到纳米级或微米级时,测头与测量表面间的微观表面作用力会对测头产生显著影响,因此,本文围绕微观表面作用力对微米尺度测头的影响展开研究。对测头产生影响的微观表面作用力主要有毛细力、范德华力、静电力、卡西米尔力等,本文从理论层面分析了其形成机理,并从实验角度开展了探针尖端球头尺寸、环境湿度、表面粗糙度等因素对微观作用力的影响研究。本文研制了一套基于光纤布拉格光栅（FBG）的微观作用力测量系统,构建了用于测量微观表面作用力的实验系统。采用FBG作为敏感元件并利用光纤熔接机在FBG光纤上制备不同球径尺寸的探针尖端球头,同时配合改进的匹配光栅波长解调法完成对测量信号的解调,后续通过设计的硬件电路对信号进行偏置、调制、放大、解调、滤波等处理以提高系统的灵敏度和抗干扰能力。通过编写Lab VIEW的相关程序对测量信号进行软件处理并采集到计算机,最后,配合光学微动台和PI纳米驱动平台完成微观作用力的实验研究。通过实验测试得到FBG微观作用力测量系统灵敏度和分辨率分别为6.22m V/nm和2.89nm。在微观作用力实验中,比较了两种不同球头直径的测头测量结果,发现其对球径大的... 

【文章来源】：合肥工业大学安徽省211工程院校教育部直属院校

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题的研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 课题来源与主要研究内容
    1.4 本章小结
第二章 微观作用力构成机理及模拟分析
    2.1 微观作用力构成
    2.2 毛细作用力
    2.3 范德华力
    2.4 静电力
    2.5 卡西米尔力
    2.6 各个微观作用力间的关系
    2.7 本章小结
第三章 微观作用力感测原理与方案
    3.1 光纤布拉格光栅的传感原理
    3.2 光纤布拉格光栅的波长解调
        3.3.1 光谱分析法
        3.3.2 非平衡M-Z干涉解调法
        3.3.3 可调谐滤波器解调法
        3.3.4 可调谐光源解调法
    3.3 光纤布拉格光栅的复用技术
    3.4 微观作用力测试系统传感与解调方案
        3.4.1 测头的传感方案
        3.4.2 测头的解调方案
    3.5 本章小结
第四章 微观作用力测试实验系统构架
    4.1 测量系统的整体构架
    4.2 测头的机械结构设计及制备
    4.3 光学系统的组成
        4.3.1 激光光源
        4.3.2 耦合器
        4.3.3 FBG传感器
        4.3.4 光电探测器
    4.4 信号调理电路
        4.4.1 信号处理电路
        4.4.2 稳压电路
    4.5 上位机采集部分
    4.6 本章小结
第五章 微观作用力的实验测试
    5.1 实验系统构成及实验方法
    5.2 实验结果及分析
        5.2.1 系统灵敏度及分辨率测试
        5.2.2 在不同表面下的测量结果
        5.2.3 不同介质中的测量结果
        5.2.4 不同测头球径的测量结果
    5.3 测量系统误差分析
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 研究展望
参考文献
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况


【参考文献】：
期刊论文
[1]微/纳器件粗糙表面间弯月面力及黏着力计算[J]. 刘思思,张朝辉,周杰,何建国.  计算力学学报. 2014(04)
[2]光纤光栅传感器的调谐滤波检测技术[J]. 刘云启,刘志国,郭转运,董孝义.  光学学报. 2001(01)

博士论文
[1]MEMS压阻式三维微触觉测头及其在纳米测量机上的应用研究[D]. 李源.天津大学 2007

硕士论文
[1]新型FBG三维纳米振动测头解调系统研究[D]. 王景凡.合肥工业大学 2017



本文编号：3642716