[发明专利]一种亚微牛顿级力测量系统

权利要求书

1.一种亚微牛顿力测量系统，其特征在于：由微力感知测量头，信号调理电路和数据采集模块构成，其中微力感知测量头接受来自探针的微作用力，将力信号变为电荷后送至信号调理电路，信号调理电路将其转换成合适大小并能检测的电压信号输出至数据采集模块，数据采集模块把获得的电压信号经过A/D转换后利用已标定好的微作用力与信号调理电路输出电压之间的关系，将所述电压值换算为微力数值；

所述微作用力与信号调理电路输出电压之间的关系的标定指：通过建立微作用力模型来获得预定的微作用力标定值，并建立测量系统理论数学模型来验证标定结果的正确性；

所述微作用力模型的建立：先用悬臂梁探针末端与纳米位移平台接触，再利用纳米位移平台实现预定步长瞬时移动，从而带动悬臂梁产生相应形变，利用材料力学建立如下模型：

F=6EIzvtL2(2L+3L0)]]>

其中，F为悬臂梁末端探针所受y向作用力，v_t为测量头探针末端的形变挠度，E为PVDF悬臂梁的杨氏模量，其中L为悬臂梁的长，L₀为探针长度，I_z是悬臂梁截面对z轴的惯性矩；

所述测量系统理论数学模型根据材料力学特性计算悬臂梁截面所受的平均应力，再根据压电方程计算悬臂梁在此应力下所产生的总电荷量，再由信号调理电路输入电荷总量与输出电压的关系模型得出悬臂梁受力与输出电压之间的关系，建立如下测量系统的理论数学模型：

F=2h23d31L(L+2L0)KCfVout]]>

其中h为悬臂梁厚度，V_out为信号调理电路的输出电压，d₃₁为PVDF材料的压电常数，C_f为信号处理电路中电荷放大器的反馈电容，K为信号调理电路的放大倍数。

2.按权利要求1所述亚微牛顿力测量系统，其特征在于：所述微力感知测量头采用基于PVDF压电材料的微力感知测量头，为末端连接有探针的悬臂梁结构。

3.按权利要求2所述亚微牛顿力测量系统，其特征在于：所述悬臂梁为具有压电效应的PVDF材料。

4.按权利要求1所述亚微牛顿力测量系统，其特征在于：所述信号调理电路包括电荷放大器(2)，滤波器(U2)，放大器(U3)，所述电荷放大器(2)把测量头(1)产生的电荷信号转换成电压信号，并经滤波器(U2)去除噪声和放大器(U3)进行信号放大。