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1、第32卷第5期仪器仪表学报Vo1.32No.52011年5月ChineseJournalofScientificInstrumentMav.2011可溯源至质量的静电力复现与测量技术术齐永岳,刘明,林玉池,付鲁华(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072)摘要:为实现10。N以下微小力值的测量及溯源,提出了一种高精度、可溯源至质量的微小力值测量系统,采用受控静电力发生装置复现微小力值,其基本工作原理是基于一种精密设计的圆柱形电容器,电容器内外电极同轴,外电极固定不动作为参考电极,内电极由弹性机构支撑和导向,通过改变内外电极间的电压产生静电力,从而将力学量追溯至
2、电容及电压等电学量,利用砝码质量与静电力平衡的原理,可以实现微小力值的溯源。实验结果表明:电容变化梯度为0.82pF/mm,完全可以复现10I¨~10N范围内的静电力。关键词:微小力值;电容变化梯度;静电力;电容传感器中图分类号:TH82文献标识码:A国家标准学科分类代码:460.4030ElectrostaticforcereproducingandmeasurementtechnologytraceabletomassQiYongyue,LiuMing,LinYuchi,FuLuhua(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTec
3、hnologyandInstrument,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Torealizethemeasurementandtraceabilityofmicroforcevaluebelow10~N,amicroforcemeasuringsystemtraceabletomassstandardwithhighprecisionisproposed.Acontrolledelectrostaticforcegeneratorisadopt—edtoreproducemicroforce.Thebasicwor
4、kingprincipleisbasedonapreciselydesignedcylindricalcapacitorwiththeouterelectrodeservingasthereferenceandtheinnerelectrodesuspendedandguidedbyarectilinearflexuremechanism.AnelectrostaticforceisgeneratedbythevoltagebetweentheelectrodesSOthatmechanicalquantityislinkedtoelectricalcapacity。Thec
5、apacitorcanbeusedinanull—displacementmodetocomparetheelectrostaticforcewiththeforcegeneratedbythecalibrateddeadweightofanominalmass.Experimentsshowthatthecapacitancechangegradientis0.82pF/mmSOthattheelectrostaticforceintherangeof10~~10一Ncanbereproducedcon-pletely.Keywords:microforcevalue;ca
6、pacitancechangegradient;electrostaticforce;capacitivesensor制作加工工艺、量值复现方法等方面都有极高的特殊要1引言求,并且微小质量标准的不确定度已与其名义值相当甚至更大。因此,为了复现微牛以下微小力值,一方面需要微小力值标准和溯源技术是研究小于10N力的追研制更小的标准原器砝码并研究其量值溯源方法,减小溯方法以及应用技术。目前符合OIML(国际法定度量衡砝码测量的不确定度;另一方面就是研究新的力值复现组织)最小的标准砝码为1mg(约10pLN),10txN以下尚方法,提高微纳力值计量的准确度。无统一的计量标准。1mg以
7、下的质量标准,从材料、美国标准技术研究院(NIST)开发了一种可以溯源收稿日期:2010-08ReceivedDate:2010-08基金项目:天津市自然科学基金(No.09JCYBJC5200)资助项目1064仪器仪表学报第32卷到国际单位制的静电力天平(EFB),其力值测量范围式中:dW为机械能变化量;F为力值;dz为电容器两电极为(10~~10“)N,分辨力为15nN,利用20mg、10mg相对位置的变化量;U为电容器两端的电压。和1mg的标准砝码分别与静电力进行比较,结果表明,这样,通过测量电容
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