球膜光学微纳牛力传感检测系统设计及试验研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ahanyin
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微纳牛力的检测在许多工程应用领域具有越来越重要的作用和意义,随着微纳米技术和生物医学技术的发展,微纳牛力的检测将推动生物医学、细胞学、分子化学、遗传学(DNA)、环境检测(细菌)、食品工业(微生物)、纳米制造业等领域的发展。目前,微纳牛力的检测技术在各个领域的应用尚处于试验研究阶段,开发出使用方便,制作成本低,工艺简单的微纳牛力检测系统具有重要的研究意义。本文研究了一种利用光学球膜检测微纳牛力的传感检测系统,用于检测微纳牛级别的微小力。该系统主要包括两个子系统,以水溶性球膜作为敏感元件的纳牛力检测系统和以天然乳胶球膜作为敏感元件的微牛力检测系统。纳牛力检测系统利用工业CCD实时采集水溶性球膜表面的光干涉条纹图像,通过对比加载纳牛力载荷前后的干涉条纹图像的变化,检测纳牛力的大小。而微牛力检测系统主要基于天然乳胶球膜表面的激光反射效应,利用PSD位置传感器检测从天然乳胶球膜表面反射的激光光斑位置变化,利用该位置变化反映出微牛力的大小。论文运用正交试验设计方法,建立了水溶性球膜纳牛力载荷与球膜直径、干涉条纹的宽度变化量之间的关系方程;同时建立了乳胶膜微牛力与球膜直径、球膜厚度、激光反射幅度之间的关系方程。构建了不同量程的测试系统数学模型,并分析了测量的误差,在-5.7%~6.2%和-2.5%~5.3%误差范围内满足测试要求。验证了光学球膜微纳牛力检测系统的有效性和正确性,为微纳牛力检测领域的研究提供理论与试验参考。
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