改进型微悬臂梁弹性常数标定系统

微悬臂梁作为原子力显微镜中感受微观力的关键元件,其法向和横向弹性常数的可溯源测量是微观力准确定量的前提.受微电子加工工艺的限制,微悬臂梁形状参数与其法向弹性常数无法准确标定,其横向弹性常数更是缺少广泛认可的标定方法.在天平法的基础上对标定系统进行了改进设计,超精密电磁天平与光杠杆结构的结合,能够准确测量微悬臂梁弯曲量及所受作用力,提高了法向弹性常数的准确度.设计了微孔样片和倾斜加载方式,实现了横向弹性常数的间接测量.基于本系统分别对3种商用微悬臂梁的法向或横向弹性常数进行了标定,并采用基于扫描电镜的尺寸参数法比对测量,实验结果重复性好、相对偏差小.研究结果表明该校准系统和方法可作为微悬臂梁弹性常数标定的参考方法.     

AFM微悬臂梁探针弹性常数各种标定方法的比较与分析

微悬臂梁探针是基于原子力显微镜(AFM)的微纳尺度力学测试中重要的力传感元件,其弹性常数的准确程度直接影响力学测量结果的可靠性。但是,目前已有的众多标定微悬臂梁探针弹性常数的方法都有各自的局限性,且准确性各异,因此需要对各种方法进行对比来选择出最佳方法。选取三种商用悬臂梁探针利用本实验室搭建的基于天平法的可溯源微悬臂梁探针弹性常数标定仪对其法向弹性常数进行标定,之后再将相同悬臂梁用三种常用标定方法（尺寸参数法,Sader法,热噪声法）进行再次标定。对不同方法测量结果进行比较,分析并详细讨论每种方法的优缺点与适用范围。结果表明相比于其他方法,微悬臂梁探针弹性常数标定仪（天平法）可测范围广,精度高,可溯源,可成为精确标定各种悬臂梁探针弹性常数的最佳方法之一。     

压电陶瓷在布氏硬度标准机力加载系统中的应用

根据试验要求,设计了压电陶瓷力发生装置,并将其应用于布氏硬度标准机力值加载系统.试验结果表明,此装置与硬度计原有的电动力加载装置配合使用,力值加载时间和加载精度等指标都达到了布氏硬度标准机的要求.     

MEMS执行机构在微小力传感器量值溯源中的应用

对一种基于微电子机械系统（MEMS）执行器结构的非接触式三维微小力装置测量原理、装置结构、标定方法、力学特性及使用方法等进行分析。结果表明：该装置可产生空间任意方向微小力,实现空间非竖直方向微小力传感器量值溯源;利用该装置对微小力传感器进行量值溯源时,能大幅减小极板间距离测量与控制不确定度对输出微小力影响,装置无需配备复杂昂贵的位移控制与测量辅助装置便可达较高精度。对简化微小力传感器量值溯源装置结构具有较大实际意义。     

用于10-6N~10-5N微力测量的柔性铰链机构设计

在基于静电场原理的微纳力值测量系统中,力值的传递与转化机构起着至关重要的作用。选择平行四边形柔性铰链机构作为其弹性元件,以实现10-6N量级的力值测量。分析了柔性铰链的数学模型,研究了其静态与动态刚度;根据系统要求确定了柔性铰链的目标刚度,并采用有限元方法对其进行优化设计和模态分析;分析了加工精度对铰链刚度的影响。将该铰链用于微力测量系统中,通过实验给出了刚度测试结果和力值测量结果,实验表明,该平行四边形柔性铰链满足微力测量系统对10-6N量级的力值测量要求。     

微悬臂梁横向弹性系数标定技术

微悬臂梁是新型力学传感器的关键部件,其性能决定力学测试结果的准确度。为了定量研究微悬臂梁与样品表面间的相互作用力,须对微悬臂梁的力学性能进行表征。提出了一种新的微悬臂梁横向弹性系数标定方案:采用精密天平和光杠杆分别测得微悬臂梁的横向扭转力和扭转量,进而可得到微悬臂梁的横向弹性系数。对3种型号的微悬臂梁进行了横向弹性系数的实际标定,结果表明:均方差均小于5%,重复性良好,且与有限元仿真值一致。     

力标准机控制系统改进的设计

针对航天院所现有力标准机存在设备陈旧、操作复杂、自动化程度低、维修频繁且困难等诸多问题,为提高力标准机的力值计量效率、检测精度以及设备的可靠性,在对力标准机进行简单介绍的基础上,改进设计了杠杆式力标准机EEI-6的主控制电路、检测电路、控制箱电路、显示电路和控制部分的机械结构,以及EEI-6控制系统的软件算法、提出了改进力标准机的一种技术方案。经过改造的杠杆式力标准机能够完成自动加/卸荷、杠杆自动平衡调节等力值测量过程。鉴定结果表明改进达到了设计指标。     

基于时空分离AFM微悬臂的模糊PID控制研究

针对原子力显微镜(AFM)微悬臂的柔性特征,提出了一种基于时空变量分离的模糊PID控制方法.由于AFM的微悬臂探针的运动精度非常高,对扰动很敏感,因而需建立微悬臂的分布参数系统模型.在保持柔性微悬臂的空间振动特性的基础上,将基于时空变量分离控制方法,结合鲁棒性强的模糊PID控制方法运用到AFM微悬臂探针的控制上,这样使控制器的设计不用考虑空间耦合的影响.通过实验仿真结果,这种方法有效地提高了AFM的微悬臂探针的控制性能和稳定性.     

20MN液压式力基准机的特点和应用

介绍了我国建立的20MN液压式力基准机的特点和应用情况。试验结果表明,这台超重型液压式精密计量装置的力值准确度达1×10~(-4),可解决大力值的可靠测量和标定问题,保证我国大力值的准确一致和正确传递。     

转子质心微位移精密调整装置

研制的陀螺动平衡调整装置通过协同调整转子质心在两个相互垂直方向上的位置实现质心任意方向的微调整.装置测量模块采用两个测头分别测量转子和壳体的位置,通过计算两者的位移差值与初始差值对比即可得到质心的调整位移量,从而消除弹性变形对测量结果的影响.调整时减小紧固螺钉旋紧扭矩可有效降低爬行现象的影响,提高调整成功率.为了控制调整方向,调整时在非调整方向施加一定的预紧力,可减小转子在非调整方向的位移量.采用上述调整策略可以达到±0.5 μm的调整精度,提高了调整的成功率,满足了设计要求.     

基于几何特征相似度评价的跨尺度显微图像配准

原子力显微镜能够在光学显微镜的协助下, 克服自身成像范围的限制获得更大的成像视野, 同时保证纳米 级的成像精度. 该方法需要实现原子力显微镜成像结果在光学视野中的精确定位, 而解决该问题的关键是进行两种 显微图像之间的准确配准. 因此, 本文提出了一种基于几何特征相似度评估的跨尺度图像配准算法, 为进一步在原 子力/光学显微镜共焦系统中实现精确定位和成像提供了基础. 具体而言, 本文首先利用原子力显微镜的探针在样 品表面进行压印, 刻画出固定尺寸的几何图案,用以标定原子力显微镜和光学显微镜成像尺度之间的比例, 为图像 配准提供先验知识. 随后, 本文设计了一种先进的图像处理算法, 分别提取原子力/光学显微镜图像中几何图案的特 征, 并将其存储为内角向量和边长向量. 最后, 基于成像尺度比例和几何特征, 提出了一种新型的几何特征相似度 评价函数, 通过对内角特征相似度和边长特征相似度进行加权融合, 实现高精度的跨尺度显微图像配准. 实验部分 针对四种不同几何图案进行图像配准, 并对实验结果进行详细分析, 验证了本文方法的良好性能.     

力传感器在发动机推力试验工况下的技术特性分析

力传感器是工业测控领域的常见测量仪器,其数据准确程度是应用效果的重要保证.力传感器在航空发动机试车台等推力测量场合的受力工况比较复杂,与实验室校准时的工作状态存在明显差异,由此引入的数据偏差需要进行分析和校准.通过对发动机推力试验中常用的应变式力传感器的使用工况进行分析,并与实验室校准条件进行比较,对力传感器在不同的环...     

Fabrication and characterization of cantilevers with integrated sharp tips and piezoelectric elements for actuation and detection for parallel AFM applications

We have developed a new process to fabricate arrays of cantilevers with integrated tips for atomic force microscope (AFM) imaging and a piezoelectric layer for vertical actuation and detection. A good homogeneity of the tip shape is obtained thanks to a self-sharpening effect. The cantilevers have been characterized mechanically and electrically.     

Comparison of measurement methods for quantifying hand force

Hand force is a known risk factor for upper extremity disorders. The objective of the present study was to determine the characteristics of, and the relationships between, exposure assessment methods to quantify hand force. Five methods, used in the laboratory or the field, were used to quantify hand force at three force magnitudes: two direct (or technical) measurement methods, force transducers and electromyography; an observational method; and two self-report approaches, force matching and a visual analogue scale. Five tasks, simulating manual work activities, were performed by 20 participants. The coefficients of variation of measures within and between participants were moderate. All approaches clearly distinguished between the three force levels tested. The reliability of the methods ranged from poor (observation method without information) to good (force transducers method and observation method with information). The measurement methods correlated moderately over all five tasks. Predictions of grip force across all five tasks were poor and even for single tasks the predictions were not much better. The tasks in this study were still simplified; in the field tasks are even more complex and the measurement characteristics might be expected to be less good. A hand force exposure assessment method should therefore be calibrated and tested for each type of hand activity before use.     

Opto-nanomechanical test instrument in mechanical characterization of DLC coated MEMS devices

Nanomechanical test instruments can precisely measure force and displacement and produce repeatable load-unload curves that can be used in characterizing mechanical behaviour at the nanoscale. In this study, a newly developed translucent nanomechanical test instrument was used in deriving reproducible stiffness values for ultra nano crystalline diamond (UNCD)-made atomic force microscope (AFM) cantilevers that are used for mechanical properties characterization of DLC films. The instrument which is calibrated according to the ISO-14577 standard is integrated with nano/micropositioners and multi-view optical microscopes to facilitate precise manipulation of those AFM cantilevers that were dozens of micrometers in size. Experimental results on UNCD-made AFM cantilever stiffness measurements are provided and compared with theoretical and batch production values.

     

MEMS力平衡加速度传感器以测量误差最小为目标的控制算法

力平衡传感器(FBA)测量加速度是由反馈控制力与外界惯性力平衡时的控制力计算得到的,力平衡控制算法是力平衡传感器的核心.传统控制算法多以敏感元件偏移平衡位置最小为目标,限制了力平衡加速度计的测量精度和适用带宽.本文以MEMS力平衡传感器为对象,提出了一种以测量误差最小为目标的力平衡加速度计最优控制算法.引入测量误差新变量,将难以处理的力平衡控制转化为以响应最小为目标的经典控制问题,在此基础上获得了最优控制力的解析表达式,实现了对未知加速度信号的实时高精度检测.分别针对三种不同类型的输入加速度信号（阶跃、周期和随机）进行检测仿真,发现提出的算法能够准确地检测各类输入加速度信号,测量信号频带达kHz量级,同时在该控制算法下敏感元件的振动响应也得到有效控制,保证了加速度传感器的大动态范围.研究成果可为高精度和宽频带力平衡加速度传感器的研究提供基础.     

基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足,手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验,并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID（比例-积分-微分）控制器来调整骨钻的轴向进给速度,并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数,使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后,仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明,轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15 N,相对力控制误差小于3%,且无明显超调;正弦力响应幅度在频率为3.49 rad/s时衰减到-3 d B,闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求,提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。