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静电场微小力测量垂直式装置的研究

静电场微小力测量垂直式装置的研究ResearchonVerticalDeviceofMicroForce

MeasurementusingElectrostaticField学科专业:仪器科学与技术

研究生:靳展

指导教师:曾周末教授林玉池教授

天津大学精密仪器与光电子工程学院

2012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

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(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

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在国际的力值计量领域里,微纳量级微小力(?10N)的计量尚无统一的方

法。而随着新材料、信息技术、纳米技术、生物等高新科技的迅猛发展,微纳力

值的应用、测量与计量在上述众多高新科技领域中的需求越来越迫切。因此,建

立一种精密的微小力计量标准体系及其可行的测量与溯源装置成为急待解决的

问题。

论文基于静电场复现微小力的测量原理,对测量方案进行了理论分析及系统

设计,对微小力复现的过程中的误差来源及补偿方法进行了详细的分析,

设计了

实际可行的测量装置并完成了一系列的测试及实验。主要研究内容及工作如下:

1.介绍了在现代工业领域微小力计量的应用及意义,分析了微小力计量在

国内外的发展状况及本课题的研究现状,明确了研究方向及意义。

2.在使用静电场复现微小力的原理基础上,对垂直式微小力测量与溯源装

置进行了系统方案设计,对静电力发生元件的结构及尺寸进行了设计,对实现微

小力感应的敏感元件进行了需求分析及模型研究,对垂直式测量装置的敏感元件

的结构与尺寸进行了设计。

3.对电容器关键参数??电容梯度的影响参数进行了定量分析,对影响测

量装置在电容梯度测量及微小力测量中精度的因素进行了定性分析,为后续的测

量装置的搭建及选型工作提供了理论基础。

4.基于电容传感器及柔性铰链敏感元件的测量装置的设计,搭建了实验的

机械平台装置。设计了高精度电容测量、内外电极同轴度检测及激光尺位移测量

装置等配套装置,实现了测量装置的整体搭建。

5.利用搭建的垂直式系统及其配套装置,对电容器进行了电容梯度的测

量。

通过基于机器视觉的同轴度检测及偏轴调整装置,对电容器同轴度的影

响进行了

实验分析与验证。最后利用上述装置完成了微小力的标定与测量,实验结

果表明

电容梯度及微小力测量结果与理论推导基本符合,证明了垂直式微小力测

量装置

的可行性与理论正确性。根据实验结果与误差分析,提出了后续的改进措施。

关键词:微小力测量静电场电容梯度柔性铰链偏轴影响

ABSTRACT

Intheinternationalforcemeasurementfield,microscalesmallforce?10-5N

measurementhasn’thadaunifiedmethod.Becauseoftherapiddevelopmentofnew

materials,informationtechnology,nano-technology,biotechnologyandotherhigh

technology,thedemandofusingandmeasureme