可溯源微纳力值测量系统的优化设计与实验研究

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1、可溯源微纳力值测量系统的优化设计与实验研究Optimizationdesignandexperimentresearchontraceablemicro-nanoforcemeasuringsystem国家科技支撑计划(NO.2011BAK15B06)资助学科专业：仪器仪表工程作者姓名：蔡雪指导教师：赵美蓉教授协助教师：宋乐副教授企业导师：胡刚副研究员天津大学精密仪器与光电子工程学院2015年12月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究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

2、究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门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）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要-8-4

3、现阶段在微纳研究领域中，对于微小力(10～10N)的测量与溯源尚未形成统一的方案，然而在材料科学、电力电子、航空、微纳制造等多个领域，微纳力值得到了普遍的应用，因此迫切需要形成统一的测量与溯源标准以提升相关领域中的关键技术。本文在总结了前人工作的基础上，完成了对基于静电力原理的微小力测量系统的研究，本文研究的主要内容及完成的工作如下：1、分析了微纳力值测量标准建立的意义，详述了国内外研究现状和实验室的前期研究成果。2、介绍了测量系统的工作原理—静电力原理，以及测量系统中的各个功能模块。3、由于测量系统测量的量程及精度主要是由弹性元件来决定，设计了平行四

4、边形铰链作为系统的力值敏感元件，并对其进行了静力学和动力学分析，为了降低蠕变对测量精度的影响，设计了差动式铰链方案作为最终的力值敏感结构。设计了带自重平衡的柔性铰链，可降低电极长期悬挂及铰链自重造成的蠕变，为了探索更小量级的力值测量，设计了簧片式弹性支撑。4、改进了基于双目视觉的内外电极同轴度测量与调整系统，设计了亚像素级的图像处理算法，配合电控调整平台能达到偏轴调整精度5μm，偏角调整精度0.030º，该方案理论上可使电容梯度的相对不确定度小于万分之一。设计了电容梯度标定方案，电容梯度标定的相对标准不确定度低于千分之一。5、完成了测量系统的装置搭建，

5、以及测量系统中重要元器件的选型，编写了用于微力测量的整套软件。6、进行了电容器同轴度测量与姿态调整实验、电容梯度标定实验、铰链刚度测试实验、质量与静电力比对实验、真空环境力值测量实验、簧片结构的分辨力测试实验等，并分析了测量系统的误差来源和相对标准不确定度。基于差动式铰链的测量系统在10μN到100μN范围内的力值测量相对标准不确定度小于2.5%，而簧片结构作为弹性敏感元件时可使系统分辨力达到nN级。关键词：静电力；柔性铰链；电容梯度；蠕变；不确定度ABSTRACTCurrentlyinthemicro-nanoresearchfield，themea

6、surementandtraceabilityfor-8-4microforce(10~10N)hasnotyetformedaunifiedplan.However,itiswidelyusedinthebiologicalmedicine,newmaterials,aerospace,microelectronicsandotherfields,soitisinurgentneedtoformaunifiedmeasurementstandardinordertoenhancethekeytechniqueintherelatedfieldsThi

7、spapercompletedtheresearchofmicroforcemeasurementsystembasedontheprincipleofelectrostaticforce，thismaincontentandmainworkinthispaperisasfollows:1.Analyzedthesignificancetoestablishthemicroforcemeasurementstandards,detailedtheresearchstatusathomeandabroadandtheprophaseschemeinlab

8、oratory.2.Analyzedtheworkingprincipleofthemeasu