静电场超微力测量方案的探索研究

论文摘要

随着现代工业技术的发展,微纳级超微力的应用与测量已经渗透到工业生产的各个领域之中。然而微力传感器本身的性能却显得相对滞后,而且在国际上尚未形成统一的测量与溯源标准。因此,建立一种稳定、精密的超微力计量体系成为急待解决的问题。论文探索了一种基于静电场的超微力测量方案,对测量方案的可行性做了理论分析,并在此基础上设计了静电场微力测量系统。目前已经完成了机械、电路以及软件等方面的设计工作,搭建了前期测量系统实验平台。在此平台上,完成了系统的漂移、校准、重复性、分辨力、线性度等性能测试,并完成了电容梯度测量实验及静电力发生验证实验。具体工作如下:基于静电力发生原理,完成了静电场测量微力方案的系统设计。测量系统将工作在两种连续的测量模式下。测量模式一完成测量系统电容梯度的测量,测量模式二将完成微小力值的测量。测量系统采用了自主设计的静电力发生装置,其电容传感器部分的设计充分利用了圆柱形电容传感器量程大,线性好,边缘效应小等特点。采用悬挂弹簧结构及同轴度调整机构,有效消除了内外电极的运动摩擦力,弹簧机构同时可以充当静电力发生实验中的微力源。设计了基于新型高精度集成式电容数字转换器AD7747与USB控制传输芯片FX2LP的电容采集模块。该模块设计包括测量电路,固件程序及上位机软件部分。利用该电容测量模块配合高精度电容测微仪,可完成静电力发生装置的电容梯度测量实验。分别搭建了两种测量模式下的系统平台,进行了系统漂移,重复性,分辨力,线性度的性能测试。完成了电容梯度测量及静电力发生验证实验。通过实验,证明了静电力发生原理的正确性及基于静电场测量微小力值方案的可行性。通过以上多方面的工作,为进一步探索研究10-5N及以下的超微力值测量奠定了坚实的理论及实践基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 超微力测量及溯源的方法归纳
• 1.3 课题研究目的
• 1.4 课题主要工作
• 第2章 超微力静电场测量方案设计
• 2.1 静电力发生原理及公式推导
• 2.2 静电场测量微力方案设计
• 2.2.1 静电场测量微力原理
• 2.2.2 静电场测量微力方案的系统设计
• 2.2.3 测量方案主要工作
• 2.3 本章小结
• 第3章 静电力发生装置的结构设计
• 3.1 电容传感器结构设计
• 3.1.1 一般电容传感器的特点
• 3.1.2 电容传感器的基本形式
• 3.1.3 电容传感器结构设计要求
• 3.2 静电力发生装置的设计方案
• 3.2.1 原有静电力装置介绍
• 3.2.2 弹簧悬挂式静电力发生装置的设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 电容采集模块的设计
• 4.1 采集方案的整体设计
• 4.2 电容测量芯片的选型
• 4.3 传输控制芯片的选型
• 4.4 基于USB 传输的电容采集电路设计
• 4.5 电容采集模块的程序设计
• 4.5.1 相关协议的介绍
• 4.5.2 USB 芯片固件程序设计
• 4.5.3 上位机应用程序设计
• 4.5.4 驱动程序设计
• 4.6 电容采集模块的性能测试
• 4.7 本章小结
• 第5章 静电场超微力测量系统测量实验
• 5.1 静电力发生装置梯度测量实验
• 5.1.1 系统的搭建
• 5.1.2 系统漂移检测实验
• 5.1.3 系统分辨率测试实验
• 5.1.4 系统重复性实验
• 5.1.5 系统电容梯度测量实验
• 5.2 静电力发生实验
• 5.2.1 系统的搭建
• 5.2.2 电容测微仪标定实验
• 5.2.3 系统漂移实验
• 5.2.4 系统重复性测量实验
• 5.2.5 多点静电力发生验证实验
• 5.3 系统实验总结
• 第6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