利用静电场原理复现微小力值的实验研究.pdfVIP

第25卷 第1期 传 感 技 术 学 报 V01．25 No．1 2012年 1月 CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS Jan．2012 ExperimentalResearchofM icro-ForceReproductionUsingElectrostaticField L／UMing，LIN Yuchi ，ZHENGYelong，】lNZhan，LIUZheng (StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments，TianjinUniversity，Tianjin300072，China) Abstract：Themicro-force(≤10 N)reproductionsystemusingelectrostaticfieldconsistsofcapacitancegradient measurementmodule and balanced voltage monitor module．The fundamentaldesign formula expressing the measurementprincipleisdeducted；Meanwhile，Maxwellsoftwareisused tosimulatethesystem andthen compare thesimulateddatawiththetheoreticaldatatoprovetheexactnessoftheprinciple；Constructthesystem platfomr usingtheself—designed cylindricalcapacitorand thewhole leverdevice，usingrecorded experimentaldata，then makecomparisonwiththetheoreticaldataandprovethefeasibility，alsoanalyzethepossiblereasonswhichbringin error；Finally，we come tothe conclusion thatusing electrostaticfiled toreproduce micro—forcecan contentthe designrequirementsandreachthecertainprecision． Keywords：micro—forcemeasurement；electrostaticfield；capacitancegradient；balancedvoltagemonitor EEACC：7230 doi：10．3969／j．issn．1004—1699．2012．01．007 利用静 电场原理复现微小力值的实验研究术 刘 明，林玉池 ，郑叶龙，靳 展，刘 铮 (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 ：利用静电场原理复现微小力值 (≤10 N)的系统主要包括电容梯度测量模块和平衡电压监测模块。在对测量原理 进行深入分析的基础上，得出了实现测量的基本计算公式；同时，通过电磁场专用仿真软件 Maxwell进行了仿真试验，通过仿 真数据与理论数据的对比验证了原理的正确性；另外 ，自行设计并加工了实验用圆柱形电容器以及杠杆支架等，搭建了完整 的测量系统平台，完成了系统实验 ，并且将实验数据与理论数据做 了对 比，验证了实验的可行性，分析了误差产生的可能原 因，提出了进一步改进的方向；最后 ，总结了实验结论：利用静电场原理复现微小力的方法能够满足设计要求并且能够满足测 量要求。 关键词 ：微小力值测量；静电场；电容梯度；平衡电压监测 中图分类号：TH823；O441．1 文献标识码 ：A 文章编号：1004—1699(2012)O1—0033—05 随着现代科学技术的深人发展，微小力值 (≤ 量级内其分辨率可达到 15nN；英国的NPL(国家物 l0 N)的计量在各个领域 中占据着越来越重要的 理实验室)也 已经提出并致力于研究微力测量及溯