隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展,微小力值的計(jì)量廣泛應(yīng)用于在醫(yī)學(xué)、制造加工、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。因此,研究微小力值的測量具有非常重要的意義。隨著表面化學(xué)的發(fā)展及觀測手段的提高,荷葉的"自清潔效應(yīng)"逐漸被人們所認(rèn)知,這為超疏水表面的人工制備奠定了基礎(chǔ),進(jìn)而促進(jìn)了超疏水表面的實(shí)際應(yīng)用。通過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn):室溫下的水滴將對直徑為毫米級別的聚丙烯小球產(chǎn)生大小為毫牛級別的界面張力。本文采用一種新的設(shè)計(jì)思路,利用界面張力實(shí)現(xiàn)微力的測量。主要工作和結(jié)論如下:(1)我們通過分析界面張力產(chǎn)生的原因,研究了小球與液滴的相互作用機(jī)理,以及查閱文獻(xiàn)和公式推導(dǎo)得出了液滴對小球界面張力的計(jì)算公式;并選擇了一種合適的方法進(jìn)行超疏水表面的制備;初步設(shè)計(jì)出簡單的機(jī)械裝置,完成各零件的加工,組裝裝置的初級模型,并進(jìn)行初步的拉伸實(shí)驗(yàn);進(jìn)行圖像處理,分析微力測量裝置設(shè)計(jì)的合理性。(2)根據(jù)裝置的工作原理及工作特點(diǎn),對相應(yīng)的零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、加工并裝配;選擇合適的控制單元、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作精度進(jìn)行校正;選擇合適的工業(yè)相機(jī);進(jìn)行圖像處理程序的優(yōu)化。(3)通過實(shí)驗(yàn)測量懸臂梁彈性系數(shù),并選取合適的懸臂梁進(jìn)行后面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,提出了一種測量懸臂梁彈性系數(shù)的新方法;測量出水與小球接觸角的大小并分析其合理性;用已知彈性系數(shù)的懸臂梁驗(yàn)證裝置測量的精確度,并分析不同拉伸速率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出在較低的拉伸速率下可以精確測量出懸臂梁的彈性系數(shù);進(jìn)行細(xì)絲的拉伸實(shí)驗(yàn),通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)目前的裝置并不能進(jìn)行細(xì)絲力學(xué)性能的測量,其原因是小球與基底之間存在摩擦力,為此,我們又提出懸掛小球的方法,以便達(dá)到消除摩擦力影響的目的;我們經(jīng)分析得出該裝置的理論測量誤差為2.37%(小于5%),證明該裝置滿足裝置的設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH823
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題的研究背景和意義
    1.2 微力測量裝置的研究現(xiàn)狀
    1.3 界面張力測量裝置的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 液-氣界面張力
        1.3.2 液體界面張力系數(shù)的測定
        1.3.3 基于界面張力的微力測量裝置
    1.4 課題研究的目的意義和研究內(nèi)容
        1.4.1 課題研究的目的意義
        1.4.2 課題的研究內(nèi)容
第2章 微力測量裝置的初步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
    2.1 理論公式的推導(dǎo)
        2.1.1 理想狀況下的直線型接觸公式
        2.1.2 理想狀況下的球型接觸公式
    2.2 樣品的制備
        2.2.1 鋁表面上超疏水表面的制備
        2.2.2 玻璃片上超疏水表面的制備
        2.2.3 基底表面的選擇
    2.3 裝置的設(shè)計(jì)原理
        2.3.1 原子力顯微鏡
        2.3.2 光鑷
    2.4 裝置的初步設(shè)計(jì)
        2.4.1 螺旋測微器的選取
        2.4.2 滑板的設(shè)計(jì)
        2.4.3 底座的設(shè)計(jì)
        2.4.4 裝置的操作過程
    2.5 圖像的獲取及處理
        2.5.1 MATLAB圖像處理技術(shù)
        2.5.2 圖像的數(shù)據(jù)處理
        2.5.3 圖像的數(shù)據(jù)分析
    2.6 本章小結(jié)
第3章 微力測量裝置的自動(dòng)化設(shè)計(jì)
    3.1 引言
    3.2 零件的設(shè)計(jì)改進(jìn)
        3.2.1 底座的改進(jìn)
        3.2.2 移動(dòng)滑板的改進(jìn)
        3.2.3 絲狀待測物體固定裝置的設(shè)計(jì)
        3.2.4 微懸臂固定裝置的設(shè)計(jì)
        3.2.5 超疏水表面固定裝置的設(shè)計(jì)
        3.2.6 裝置工作原理及實(shí)物圖
    3.3 基于單片機(jī)的直線步進(jìn)電機(jī)技術(shù)
        3.3.1 單片機(jī)控制技術(shù)
        3.3.2 驅(qū)動(dòng)器
        3.3.3 直線步進(jìn)電機(jī)
        3.3.4 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制
        3.3.5 遇到的問題及解決方法
    3.4 工業(yè)相機(jī)的選取
    3.5 圖像的獲取及處理
    3.6 本章小結(jié)
第4章 微力測量裝置的實(shí)驗(yàn)分析
    4.1 實(shí)驗(yàn)求解水與小球接觸角
        4.1.1 懸臂梁材料的選取
        4.1.2 懸臂梁尺寸的選取
        4.1.3 水與小球接觸角的分析
    4.2 懸臂梁拉伸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        4.2.1 懸臂梁彈性系數(shù)測量精度的分析
        4.2.2 不同拉伸速率下的實(shí)驗(yàn)分析
    4.3 細(xì)絲拉伸的實(shí)驗(yàn)分析
    4.4 理論誤差分析
    4.5 裝置的其它使用用途
    4.6 本章小結(jié)
結(jié)論
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2840773