一種基于雙端固定式石英音叉的二維測(cè)力裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種液相物質(zhì)軸向力及剪切力的測(cè)量裝置及其方法，具體涉及一種基 于雙端固定式石英音叉的二維測(cè)力裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)械傳動(dòng)中，如滾動(dòng)軸承流體潤(rùn)滑劑對(duì)隔離摩擦副、降低磨損、延長(zhǎng)機(jī)械壽命起 到重要作用。而隨著機(jī)械設(shè)備的精密化、高速化發(fā)展，對(duì)其工作環(huán)境和條件要求日益嚴(yán)苛， 機(jī)構(gòu)中的潤(rùn)滑膜厚度不斷降低，而潤(rùn)滑性能要求則日益提高。潤(rùn)滑劑工作中的軸向力和剪 切力變化情況，可以反映潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，因此軸向力及剪切力的測(cè)量是研究潤(rùn)滑劑薄 膜性能的重要手段。
[0003] 石英音叉作為石英晶體諧振器，是一種應(yīng)用較為廣泛的微力測(cè)量傳感器，特別作 為液相介質(zhì)參數(shù)測(cè)量傳感器和微納米表面形貌測(cè)量探頭。然而目前常用的石英音叉?zhèn)鞲衅?多為單端固定式，即一端用底座固定，另一端采用開放式設(shè)計(jì)。在過(guò)去的應(yīng)用中，石英音叉 單獨(dú)使用時(shí)，可以獲得較高的Q值，從而獲得較高的靈敏度。然而，如進(jìn)行二維力測(cè)量，需要 在開放端耦合其他結(jié)構(gòu)，則其動(dòng)態(tài)平衡將被打破，使得系統(tǒng)Q值降低。為了提高Q值，則需 要在設(shè)計(jì)中加入較為笨重的隔離系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于雙端固定式石英音叉的二 維測(cè)力裝置及其方法，能夠?qū)崿F(xiàn)液相物質(zhì)軸向力及剪切力的二維力測(cè)量，可以獲得較高的Q 值，從而獲得較高的靈敏度。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0006] 本發(fā)明的一種基于雙端固定式石英音叉的二維測(cè)力裝置，包括支架、嵌入支架中 用于測(cè)量軸向力的石英音叉、振動(dòng)發(fā)生器、測(cè)量探針、多普勒振動(dòng)測(cè)試儀、位于測(cè)量探針下 方的壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、用作激勵(lì)源的第一正弦信號(hào)發(fā)生器及第二正弦信號(hào)發(fā)生器、輸入端 接第二石英音叉電極用于實(shí)現(xiàn)石英音叉輸出信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換及放大的信號(hào)調(diào)理電路、第一鎖 相放大器及第二鎖相放大器、與第一鎖相放大器及第二鎖相放大器輸出端相連接用于采集 第一鎖相放大器及第二鎖相放大器輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊和與數(shù)據(jù)采集模塊輸出端相 連接的計(jì)算機(jī)；待測(cè)潤(rùn)滑劑薄膜放置在所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò) 壓電位移驅(qū)動(dòng)器調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)高度；石英音叉的一端固定在支架上，另一端與振動(dòng)發(fā)生器的 背面相連接，振動(dòng)發(fā)生器的正面與測(cè)量探針相連接；石英音叉包括用于驅(qū)動(dòng)石英音叉振動(dòng) 的第一音叉臂和用于采集石英音叉輸出信號(hào)的第二音叉臂，第一音叉臂和第二音叉臂分別 連接第一石英音叉電極和第二石英音叉電極；多普勒振動(dòng)測(cè)試儀其激光束瞄準(zhǔn)測(cè)量探針， 反射光頻率隨著測(cè)量探針振動(dòng)速度發(fā)生偏移，多普勒振動(dòng)測(cè)試儀檢測(cè)該反射光，經(jīng)過(guò)光電 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，多普勒振動(dòng)測(cè)試儀的輸出端與第二鎖相放大器輸入端相接；第 一正弦信號(hào)發(fā)生器的第一輸出端接第一石英音叉電極用于對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，第一正弦信號(hào)發(fā) 生器的第二輸出端將參考信號(hào)輸入第一鎖相放大器；第二正弦信號(hào)發(fā)生器的第一輸出端 接振動(dòng)發(fā)生器用于驅(qū)動(dòng)其在水平方向振動(dòng)，第二正弦信號(hào)發(fā)生器的第二輸出端將參考信號(hào) 輸入第二鎖相放大器；第一鎖相放大器用于比較石英音叉輸出信號(hào)與參考信號(hào)的相位、振 幅變化，并將其變化轉(zhuǎn)換為電壓；第二鎖相放大器用于比較多普勒振動(dòng)測(cè)試儀輸出信號(hào)與 參考信號(hào)的相位、振幅變化，并將其變化轉(zhuǎn)換為電壓；計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息進(jìn) 行分析計(jì)算出軸向力F n以及水平方向的剪切力Fs，同時(shí)驅(qū)動(dòng)所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以設(shè)定的 速度接近測(cè)量探針。
[0007] 上述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均為8mmX0· 2mmX0· 2mm ;測(cè)量探針 的針頭直徑為100 μπι;振動(dòng)發(fā)生器具體采用的是壓電陶瓷，所述壓電陶瓷的尺寸為 2mmX 2mmX 2mm〇
[0008] 上述第一正弦信號(hào)發(fā)生器及第二正弦信號(hào)發(fā)生器均采用的是雙通道函數(shù)信號(hào)發(fā) 生器AFG3022B ;第一鎖相放大器及第二鎖相放大器均采用的是AD630芯片；數(shù)據(jù)采集模塊 采用的是PCI-6229DAQ數(shù)據(jù)采集卡。
[0009] 本發(fā)明的基于雙端固定式石英音叉的二維測(cè)力裝置的測(cè)量方法，包括以下幾個(gè)步 驟：
[0010] A.將待測(cè)潤(rùn)滑劑薄膜放置在壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與測(cè)量 探針之間的距離為設(shè)定的初始距離；
[0011] B.開啟電源，調(diào)整第一正弦信號(hào)發(fā)生器和第二正弦信號(hào)發(fā)生器的頻率以及幅值；
[0012] C.連續(xù)調(diào)整所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的高度，使其以設(shè)定的速度接近測(cè)量探針；同時(shí) 計(jì)算機(jī)開始記錄來(lái)自石英音叉以及多普勒振動(dòng)測(cè)試儀的振動(dòng)幅值、相位變化信息；
[0013] D.根據(jù)以下公式分別計(jì)算出軸向力FnW及水平方向的剪切力Fs:
[0016] 其中，η是粘度系數(shù)，d為測(cè)量探針直徑，h為測(cè)量探針尖端與壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái) 面的距離，S為測(cè)量探針與待測(cè)潤(rùn)滑劑薄膜（14)的接觸面積，V為振動(dòng)速度；而Tl由以下 公式求得：
[0018] 其中，α為輸出振幅與參考振幅之比，δ為輸出相位與參考相位之差，ω為振動(dòng) 角頻率。
[0019] 步驟（A)中，所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與測(cè)量探針之間的初始距離為0. 5-0. 8cm。
[0020] 步驟（C)中，所述壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以6nm/sec的速度接近測(cè)量探針。
[0021] 本發(fā)明采用雙端固定式石英音叉作為傳感器，音叉一端與剪切力測(cè)量用探針相連 接，能夠?qū)崿F(xiàn)軸向力和剪切力同時(shí)測(cè)量，同時(shí)可以獲得較高的系統(tǒng)Q值，進(jìn)而提高測(cè)量靈敏 度，簡(jiǎn)化測(cè)力裝置結(jié)構(gòu)；另外，本發(fā)明采用的雙端固定式音叉嵌入支架的結(jié)構(gòu)，提高了音叉 的剛度和穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的一種基于雙端固定式石英音叉的二維測(cè)力裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為圖1中的音叉-支架裝配圖；
[0024] 圖3為圖2的A-A剖視圖；
[0025] 圖中各標(biāo)號(hào)：支架1、石英音叉2、振動(dòng)發(fā)生器3、測(cè)量探針4、多普勒振動(dòng)測(cè)試儀5、 壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6、第一正弦信號(hào)發(fā)生器7、第二正弦信號(hào)發(fā)生器8、信號(hào)調(diào)理電路9、第一 鎖相放大器10、第二鎖相放大器11、數(shù)據(jù)采集模塊12、計(jì)算機(jī)13、待測(cè)潤(rùn)滑劑薄膜14、沉孔 15。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合
【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027] 參見圖1，本發(fā)明的一種基于雙端固定式石英音叉2的二維測(cè)力裝置包括機(jī)械系 統(tǒng)及電路系統(tǒng)兩個(gè)主要部分。其中，機(jī)械系統(tǒng)包括雙端固定式的石英音叉2及其支架，振動(dòng) 發(fā)生器3 (具體采用的是壓電陶瓷）及測(cè)量探針4 (具體采用的是金屬探針）、多普勒振動(dòng)測(cè) 試儀5以及壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6。電路系統(tǒng)包括第一正弦信號(hào)發(fā)生器7、第二正弦信號(hào)發(fā)生器 8、信號(hào)調(diào)理電路9、第一鎖相放大器10、第二鎖相放大器11、數(shù)據(jù)采集模塊12和計(jì)算機(jī)13。
[0028] 石英音叉2作為敏感元件，在交變電流的作用下，音叉臂在水平方向振動(dòng)，帶動(dòng)測(cè) 量探針4上下振動(dòng)，用于軸向力測(cè)量，其上端固定于支架上，下端與振動(dòng)發(fā)生器3背面相粘 接，振動(dòng)發(fā)生器3正面與測(cè)量探針4相連。由于音叉測(cè)力是利用石英晶體的壓電效應(yīng)，因此 雙端固定式的石英音叉2上端接入兩電極。兩電極中的第一電極接入第一正弦信號(hào)發(fā)生器 7,第二電極接入信號(hào)調(diào)理電路9,做傳感器輸出信號(hào)。
[0029] 第一正弦信號(hào)發(fā)生器7用作激勵(lì)源，一方面對(duì)石英音叉2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，另一方面作為 參考信號(hào)輸入第一鎖相放大器10。
[0030] 信號(hào)調(diào)理電路9實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的I/V轉(zhuǎn)換以及放大。
[0031] 第一鎖相放大器10用于比較傳感器輸出信號(hào)與參考信號(hào)的相位變化，并將相位 變化轉(zhuǎn)換為電壓，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊12傳送至計(jì)算機(jī)13。以上構(gòu)成軸向力測(cè)量系統(tǒng)。
[0032] 振動(dòng)發(fā)生器3與測(cè)量探針4用于剪切力測(cè)量。
[0033] 第二正弦信號(hào)發(fā)生器8用作激勵(lì)源，一方面驅(qū)動(dòng)振動(dòng)發(fā)生器3在水平方向振動(dòng)， 另一方面作為參考信號(hào)輸入第二鎖相放大器11。
[0034] 多普勒振動(dòng)測(cè)試儀5其激光束目苗準(zhǔn)金屬探針，反射光頻率隨著金屬探針振動(dòng)速度 發(fā)生偏移，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0035] 第二鎖相放大器11用于比較多普勒振動(dòng)測(cè)試儀5輸出信號(hào)與參考信號(hào)的相位、振 幅變化，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊12傳送至計(jì)算機(jī)13。以上構(gòu)成剪切力測(cè)量系統(tǒng)。
[0036] 計(jì)算機(jī)13的作用是讀取傳感器測(cè)量信息，進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn) 臺(tái)6〇
[0037] 壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6用于放置待測(cè)潤(rùn)滑劑薄膜14,利用壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)壓電位移驅(qū)動(dòng) 器調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)