微力测量系统的设计制造及其实验研究

微力测量系统的设计制造及其实验研究

作者:师大云端图书馆 时间:2019-11-17 分类:参考文献 喜欢:1623
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【摘要】随着现代社会的高速发展,微牛级微小力值在医学、微纳制造以及微机电系统中的力学性能分析中得到了越来越广泛的应用。但是目前我国对于10N以下微小力值尚未建立量传系统。国内对于微力测量装置没有具体的结构设计和加工方法,因此研究一套可以测量10-5N及以下的微力测量系统是很有意义的。本论文总结了微小力值计量的研究意义,分析了微小力值计量的国内外发展现状,明确了设计制造一套微小力值测量系统的具体步骤。论文根据电磁场理论,分析了同轴变面积型圆柱电容器的电容值和电容梯度计算方法,运用电磁场有限元分析软件Maxwell对力值发生装置里的各个影响因素如电极材料、内电极端盖厚度、内电极凸台半径、两电极倒角半径和外电极绝缘层厚度等进行了仿真分析,并从防止内外电极短路出发,分析了外电极内表面添加电容器纸后的静电力和电场情况,为微力测量装置的进一步研究提供了理论基础。论文设计出基于杠杆原理和静电场原理的微力测量装置。出于将力值放大的目的,将天平的放大比设计成K(K>1)。天平采用宝石刀承,包括中刀和边刀,杠杆两端分别为一个边刀和一个顶针支承。利用直线轴承和绝缘棒的间隙配合保证两电极的同轴度。将数显千分尺固定在装置上测量内电极的微小位移。在装置关键零部件的加工上,阐述了具体的加工方法和注意事项。运用ANSYS有限元软件对杠杆进行了结构静力学分析并与根据材料力学理论计算的理论值进行了对比,验证了结构的变形和应力在允许的范围内。根据宝石刀口理论,对中刀进行了校核。根据已有的研究成果,对天平的滚转租力矩进行了计算,求出了可使杠杆理论上转动的最小载荷,验证了1mg最小标准砝码使杠杆转动的可行性。论文采用嵌入式系统的设计思想,先后进行了原理图绘制、电路板加工、程序开发和调试等工作,实现了电容值测量和实时显示的目的。电容检测系统包括电容数字转换芯片AD7747、AT系列单片机AT89S52、1602A液晶、ADP3303、LED发光二极管、2*5ISP-DIP接口等。分别运用软件Keil和Progisp进行编程和烧录,最后对程序进行了调试使其满足实验要求。在对整个微力测量系统完成安装和调试后,进行了一系列实验,包括系统零点校核实验、标称电容实验、系统漂移性实验和电容梯度测量实验等。验证了电容梯度计算方法,证明所设计制造的微力测量系统达到了一定的要求。
【作者】牛亚楠;
【导师】于立娟;
【作者基本信息】吉林大学,机械工程,2014,硕士
【关键词】微小力值;电容梯度;有限元法;电容检测系统;

【参考文献】
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