电容式微力测量系统性能分析及关键技术研究

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1、？矣營ＴＩＡｍｉＭＵＭＩＶＥＰＳＩＴＹ中国近代第－所大学－ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５－？，—＂＂？…々博±学位论文—■机械工军王ｉ级学科学科专业：机械制造及其自动化—’－：＿二了作者姓名：圣宣聲指导教师＝郭伟教授天津大学研究生院２０１４年１２月Ｊ■独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研巧工作和取得的研究成果，论文中不包含其他人已经发表，除了文中特别加标注和致谢之处外或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或

2、其他教育机构的学位或证一书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。口：年学位论文作者签名签字日期ａＩ月《日学位论文版权使用授权书本学位论义作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可Ｕ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检、缩印或扫描等复制手段保存、汇编＾义供查阅和借阅。同意学校索，并采用影印向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）Ｖ学位论文作者签名；：足私导

3、师签名：Ｉ７４签字曰期：幷曰签字曰期：丄月曰／月《／天津大学博士学位论文电容式微力测量系统性能分析及关键技术研究PerformanceAnalysisandKeyTechnologyonCapacitor-basedMicro-forceMeasurementSystem一级学科：机械工程学科专业：机械制造及其自动化作者姓名：李巨韬指导教师：郭伟教授天津大学机械工程学院二零一四年十二月中文摘要随着现代科学技术的发展，微纳加工制造、微擦现象的观测、微小质量测量、航空航天领域的精确控制等，大量需要微小力值的计量，所以微力测力

4、系统的研究逐渐展开，并成为重要的研究课题。由于微力测量体系的不完善，其本身的特性显得相对滞后。传力系统的设计方法以及微力测量传感器的研究对微力值计量标准的建立是至关重要的。本文开展了对微力测量系统的综合研究，以微力电容式称重系统为载体，对微力传力系统、传感器结构设计和误差补偿等三个系统，从设计理论和技术创新两个方面进行了研究和探索。主要工作如下：（1）研究了微力测量系统的性能分析方法。在分析其工作原理的基础上，构建了微力测量系统的总体性能指标体系，从精度、量程、重复性、稳定性四个方面分析了性能的影响因素。为分析决定系统性能的关键影响

5、因素，引入TRIZ的冲突分析与解决理论，构建了系统功能模型，详细分析了存在的冲突及根原因。基于此，构建了微力测量系统的性能映射模型，将系统性能映射到了传力机构、传感器及误差补偿等几个部分。（2）针对原传力机构易产生耦合位移、抗偏载能力差的问题，设计了双平行柔性导向机构，并进行了力学性能分析。为了评价其导向性能，通过刚度分析验证其的稳定性。在对柔性梁等效的基础上，提出了抗横向偏载和抗侧向偏载能力的评价方法，利用有限元方法分析了不同结构参数对其抗偏载性能及固有频率的影响，根据分析结果建立了优化双平行柔性机构性能的多目标优化模型，讨论了求

6、解方法，对优化后的结构与原结构的对比，验证了本文设计的优越性。（3）针对原电容式传感器保证精度与提高量程的冲突，设计了双极板变极距式电容传感器，能够在保证精度的条件下将量程提高一倍。从导向刚度和抗扭刚度等方面对其进行了力学性能分析，讨论了各结构参数对性能的影响，通过有限元分析，对设计结果进行了验证，并建立了多目标优化模型对其性能进行了优化。对于电路及控制部分，介绍了双极板电容传感器的信号控制及转换过程，基于单片机设计了控制电路，并设计了相应的实验进行了效果验证。（4）研究了微力测量系统的耦合误差补偿方法。设计了耦合误差测量的实验，测

7、量了微力测量系统在不同温度下的误差变化情况。为了有效进行补偿，讨论了耦合误差的分离方法，根据误差分离原理将其分成了负载误差与热误差，建立了综合误差的数学模型。在此基础上，提出了一种简单的误差补偿原理，针对单次短时间测量和载荷长时间放置两种情况阐述了对应的误差补偿策略。利用单片机设计了误差补偿模块并通过实验验证了微力测量系统在精度、稳定性、重复性方面的性能。I关键词：微力测量；性能分析；抗偏载；多目标优化；自适应耦合误差补偿IIAbstractWiththedevelopmentofmodernscienceandtechnology

8、,themeasurementoftinyforcevaluehasbeenwidelyusedintheareasofmicroandnanoscaleprocessingandmanufacturing,theobservatio