医学领域微小力值传感测量技术的研究进展

针对医学领域科学研究、临床疾病的诊断与手术等对微小力值测量的迫切需求,对医学领域微小力值传感测量研究方向、进展及其应用情况进行了综述。首先,从医学领域微小力值测量的需求出发,分析了测量的特点与要求,介绍了电容式、电阻应变式和压电式等传统电学式微小力传感测量技术的国内外研究成果,分析了电学式测量方法的技术特点与不足;然后,系统地介绍了目前微小力值测量中广泛采用的光学式一维及多维传感测量技术,对基于光学相干层析成像(OCT)、法布里-珀罗干涉仪(FPI)、光纤布拉格光栅(FBG)、强度调制型光纤传感等的光学式微小力值传感测量原理、方法、技术特点进行了分析;最后,对国内外最新研究成果、发展水平及在医学领域的应用情况进行了分类整理和归纳评述,对不同测量原理与方法的技术特性、优缺点、适用测量范围与应用场景进行了系统性的对比分析。研究结果表明:当前医学领域微小力值传感测量存在的主要问题包括微小力值无法溯源、高精度宽量程测量需求无法满足,并且在多种参数的并行监测和同步测量、复合传感测量、集成光路式传感技术等方面有待进一步研究和探索。该综述可为后续医学领域微小力值传感测量研究方向与思路提供参考。

利用静电场原理复现微小力值的实验研究

利用静电场原理复现微小力值(≤10-5N)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。

规范和完善我国微小力值量值传递

本文针对我国力值量传体系现状提出自己的一些看法,对如何规范和完善我国微小力值量传体系提出自己的几点建议。

一种新型的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置

介绍了一种新型的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置。该装置由静重砝码、砝码吊挂系统、砝码加卸系统、加荷框架、气浮轴承支撑的平衡梁等组成。由于采用气浮轴承支撑的平衡梁平衡加荷框架和砝码吊挂系统的重量，该标准装置复现的初始力值仅为1mN。该装置的静重砝码共有10组，每组10支，测量范围为1mN-10N。该标准装置在气浮轴承支撑的平衡梁、加荷框架、微型刀口式万向节等主要部件中采用了在国内首创的设计和结构，减小了力值复现不确定度，改进了标准装置的计量性能，解决了高准确度微小力值传感器的量值溯源问题。本文还介绍了标准装置的关键部件-气浮轴承的性能试验及结果。

微小力测量系统的实验研究

介绍了一种微小力值测量系统的设计方法。系统采用了自主设计的传感器结构,充分利用了圆柱形电容传感器量程大、线性好、边缘效应小等特点,通过高精度直线轴承保证了运动的同轴度,又利用增加屏蔽结构等方法用来消除寄生电容的干扰。检测电路基于新型高精度、集成式电容数字转换器AD7747与单片机,实现了对电容变化量dC的精确测量。实验结果表明:该方法为10-5N以下的微小力值测量提供了一种有效的解决方案。

可溯源至质量的静电力复现与测量技术

为实现10-5N以下微小力值的测量及溯源,提出了一种高精度、可溯源至质量的微小力值测量系统,采用受控静电力发生装置复现微小力值,其基本工作原理是基于一种精密设计的圆柱形电容器,电容器内外电极同轴,外电极固定不动作为参考电极,内电极由弹性机构支撑和导向,通过改变内外电极间的电压产生静电力,从而将力学量追溯至电容及电压等电学量,利用砝码质量与静电力平衡的原理,可以实现微小力值的溯源。实验结果表明：电容变化梯度为0.82 pF/mm,完全可以复现10-6~10-9N范围内的静电力。

电容法微力测量中轴偏对电容梯度的影响

电容法微小力值测量中电容传感器会存在轴偏现象,影响测量精度。基于理论模型,分析计算了电容传感器在轴偏情况下的电容梯度。设计了合理的测量方案,通过高精度图像传感器及机器视觉算法,实现了轴偏及电容梯度测量,对轴偏与电容梯度之间理论数值关系进行了实验验证。实验证明了理论推导的正确性及测量方案的可性行,为后续的微力精密测量提供了误差补偿依据。在当前的电容传感器条件下,轴偏不大于50μm时,可满足误差1%以内的系统整体测量目标。

一种微力测量系统的实现方法与实验验证

介绍了一种微力测量系统的设计和制造方法。运用Maxwell对静电复现装置进行仿真分析,得出不同因素的影响大小并作为设计依据。对刀口进行了校核,验证了装置的理论可行性。基于电容数字转换器AD7747设计并制造出电容测量系统,在标定后进行了电容梯度测量实验。实验结果表明所设计的系统达到了设计预期。

光压的测量方法现状及发展趋势

介绍了光压的概念及应用,按照测量介质由宏观至微观、系统刚度由高到低的次序,选取了具有代表性的扭秤、晶体、薄膜、电容和液体这5种感测介质,分别介绍了这5种感测介质的测量原理及发展现状,分析了每种方法的特色,并提出了目前光压测量面临的问题,结合国际计量发展新动态,分析了光压测量方法的发展趋势。