CN104297089A - 微观摩擦磨损性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特点在于其测量装置包括布置在一同高度上的激光器、反射棱镜、平面反射镜、位置探测器和激光位移传感器，且激光器和平面反射器相对于反射棱镜呈90度角设置，位置探测器与平面反射器位于同一轴线上，激光位移传感器设于反射棱镜的下方；所述弹性敏感元件嵌装于载物台上，下试件安装于弹性敏感元件上；反射棱镜安装于弹性敏感元件下部用于输出弹性敏感元件的形变信息。该装置能够满足高速条件下，微小器件摩擦学性能的研究。正压力与摩擦力的测量均采用非接触方式，保证加载与摩擦力测量的精度，更通过光路对试件偏转角度进行放大，提高分辨率。另外，本发明结构简单，可靠性高，功能扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统（MEMS）摩擦磨损、润滑技术领域，尤其涉及一种用于测试微观尺寸上相对滑移表面在各种润滑方式（包括材料表面微观改性、固体薄膜润滑、分子超薄膜润滑、气相润滑、液体润滑等）下的摩擦学性能的微观摩擦磨损性能测试装置。
背景技术
现代近表面测试技术和仪器的发展，提供了在原子、分子尺度上观察表面现象及其变化的有效手段，使得微观摩擦学的实验研究成为可能。与宏观摩擦仪器不同的是微观测试仪器需要满足：直接或者间接测量正压力和摩擦力的大小；能对正压力和摩擦力进行标定；力的测量达到纳牛级精度，范围从纳牛到毫牛。随着微观摩擦的不断深入一些成熟的微观仪器（SFA、STM、AFM）已不能满足研究的需要，并且MEMS器件实际的摩擦形式也对传统的微摩擦仪器提出了挑战，因此最近几十年，很多研究者根据自身学科的需要设计并制作了不同的微摩擦测试仪器。但这些摩擦磨损实验机都是不同的研究者根据自己学科特征所设计的，因此不能适用于一般的应用场合。无论哪种摩擦方式都针对低速条件下的MEMS器件摩擦性能进行研究。随着人们对微观世界越来越深入的研究，高速MEMS器件必将是未来发展的主要方向，显然低速的摩擦试验机已不能够完全满足研究需要，因此有必要对高速运动中的MEMS器件设计相应的实验平台，并对其摩擦性能进行研究。
发明内容
本发明的目的是针对上述微观摩擦测试仪器的技术现状，提供一种微观摩擦磨损性能测试装置，能够测量相对高速运动的微小表面间摩擦系数，以实现不同润滑方式下，相对高速运动的微观表面间面与面摩擦的摩擦学性能测试。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种微观摩擦磨损性能测试装置，包括底板、上试件、下试件、立柱、夹具、载物台、一维移动平台、二维移动平台和高速直流电机；所述立柱安装于底板上，一维移动平台由夹具活动连接于立柱上，且能够相对于立柱上下移动；二维移动平台固连于底板上，载物台安装于二维移动平台上；高速直流电机由夹具支承，对应载物台的中心设置，上试件安装于高速直流电机的电机轴输出端；还包括能够测量试件在高速相对运动状态下的微观摩擦磨损性能的测量装置；所述测量装置包括布置在一同高度上的激光器、反射棱镜、平面反射镜、位置探测器和激光位移传感器，且激光器和平面反射器相对于反射棱镜呈90度角设置，位置探测器与平面反射器位于同一轴线上，激光位移传感器设于反射棱镜的下方；所述激光器用于向反射棱镜发射光束，并由反射棱镜反射给平面反射器，最终由位置探测器接收；所述弹性敏感元件嵌装于载物台上，下试件安装于弹性敏感元件上，弹性敏感元件用于感应试件高速运动状态下的形变；反射棱镜安装于弹性敏感元件下部用于输出弹性敏感元件的形变信息。
所述弹性敏感元件包括正方形薄片主体，以及设于薄片主体上的横向敏感元件和纵向敏感元件；所述纵向敏感元件包括设于薄片主体四周且与薄片主体各边平行的长方形孔，能够在试件高速运动时所产生的正压力的作用下发生周向形变的扭臂梁Ⅱ，以及位于四条长方形孔中间的弹性板；扭臂梁Ⅱ位于长方形孔中，且沿长方形孔的长度设置，为一端相连另一端开口的长槽形，其一端为自由端，另一端为连接端，连接端的一边与薄片主体连接，另一边与弹性板连接；所述横向敏感元件包括设于弹性板中心的圆形孔，以及能够在试件高速运动时所产生的摩擦扭矩的作用下发生周向形变的扭臂梁Ⅰ，扭臂梁Ⅰ与圆形孔同轴设置；所述扭臂梁Ⅰ为圆形，其边缘周向间隔设置连筋以及扇形延伸边，所述连筋与弹性板连接，扇形延伸边与弹性板对应设有限位槽和限位挡片。
所述平面反射镜和位置探测器均设有支架，各支架与底板固定，并能能够调节平面反射镜和位置探测器的水平角度。
所述激光器与立柱活动连接。
所述二维移动平台为手动双轴平移台。
所述载物台的中心设有能够嵌装弹性敏感元件的嵌装槽。
所述高速直流电机设有能够对其转速进行调节控制的电子调速器。
本发明设有计算机系统，激光位移传感器、电子调速器和位置探测器均与计算机系统相连。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种微观摩擦磨损性能测试装置，通过一维移动平台与二维移动平台使上、下试件精确对准并施加一定正压力，采用高速直流电机使上、下试件间做高速相对运动，满足高速条件下，微小器件摩擦学性能的研究。正压力与摩擦力的测量均采用非接触方式，保证加载与摩擦力测量的精度，更通过光路对试件偏转角度进行放大，提高分辨率。另外，本发明结构简单，可靠性高，功能扩展性强。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是微观摩擦磨损性能测试装置的整体结构示意图。
图2是测量装置的结构示意图。
图中，1.底板，2.手动双轴平移台，3.载物台，4.上试件，5.下试件，6.弹性敏感元件，6a.横向弹性敏感元件，6b.纵向弹性敏感元件，7.立柱，8.夹具，9.一维移动平台，10.高速直流电机，11.激光器，12.激光位移传感器，13.平面反射镜，14.位置探测器，15.支架，16.反射棱镜。
具体实施方式
如图1、2所示，该微观摩擦磨损性能测试装置的上试件4和下试件5（选用直径为2mm的单晶硅圆柱和单晶硅片）组成一对摩擦副，上试件4安装在高速直流电机10的输出轴上，下试件5设于弹性敏感元件6的中心，反射棱镜16安装在弹性敏感元件6的下部，当高速直流电机工作时，使上、下试件4、5之间产生摩擦，并对下试件5产生压力（为了获取不同的实验数据，可以通过电子调速器调节电机的转速，同时还可以通过调节电机对下试件5的压力）；此时弹性敏感元件6的横向敏感元件6a和纵向敏感元件6b均会发生形变，并使其下方的反射棱镜16产生水平方向的偏转以及竖直方向上的位移，反射棱镜16底面的高度变化被其下方的激光位移传感器12检测到，从而可以获取试件5所承受的正向压力的数据；由激光器11发出的光束照到反射棱镜16上时，由于反射棱镜16的水平偏转，最终由平面反射镜13反射到位置探测器14上光束也会发生相应的位移，从而可以通过光束位置信息获取试件间的摩擦力的大小。
由此可以看出，微观摩擦磨损性能测试装置对载荷和摩擦力的测量是通过测量弹性敏感元件6的形变位移并转换得到，测试前需要对弹性敏感元件6的刚度进行标定。
在本发明的工作过程中，可以通过Creo Simulate软件对纵向弹性敏感元件6进行强度仿真分析；利用HY-441数字转速表标定高速直流电机10转速与PWM信号脉冲宽度的关系曲线；选用的激光位移传感器12为日本基恩士LK-G30高速、高精度CCD激光位移传感器12；使用美国THORLABS公司的PDP90A位置探测器。以上这些技术和设备都是现有的，本发明中将不再进行赘述。
Claims (8)
1.本发明涉及一种微观摩擦磨损性能测试装置，包括底板、上试件、下试件、立柱、夹具、载物台、一维移动平台、二维移动平台和高速直流电机；所述立柱安装于底板上，一维移动平台由夹具活动连接于立柱上，且能够相对于立柱上下移动；二维移动平台固连于底板上，载物台安装于二维移动平台上；高速直流电机由夹具支承，对应载物台的中心设置，上试件安装于高速直流电机的电机轴输出端；其特征是，还包括能够测量试件在高速相对运动状态下的微观摩擦磨损性能的测量装置；所述测量装置包括布置在一同高度上的激光器、反射棱镜、平面反射镜、位置探测器和激光位移传感器，且激光器和平面反射器相对于反射棱镜呈90度角设置，位置探测器与平面反射器位于同一轴线上，激光位移传感器设于反射棱镜的下方；所述激光器用于向反射棱镜发射光束，并由反射棱镜反射给平面反射器，最终由位置探测器接收；所述弹性敏感元件嵌装于载物台上，下试件安装于弹性敏感元件上，弹性敏感元件用于感应试件高速运动状态下的形变；反射棱镜安装于弹性敏感元件下部用于输出弹性敏感元件的形变信息。
2.根据权利要求1所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，所述弹性敏感元件包括正方形薄片主体，以及设于薄片主体上的横向敏感元件和纵向敏感元件；所述纵向敏感元件包括设于薄片主体四周且与薄片主体各边平行的长方形孔，能够在试件高速运动时所产生的正压力的作用下发生周向形变的扭臂梁Ⅱ，以及位于四条长方形孔中间的弹性板；扭臂梁Ⅱ位于长方形孔中，且沿长方形孔的长度设置，为一端相连另一端开口的长槽形，其一端为自由端，另一端为连接端，连接端的一边与薄片主体连接，另一边与弹性板连接；所述横向敏感元件包括设于弹性板中心的圆形孔，以及能够在试件高速运动时所产生的摩擦扭矩的作用下发生周向形变的扭臂梁Ⅰ，扭臂梁Ⅰ与圆形孔同轴设置；所述扭臂梁Ⅰ为圆形，其边缘周向间隔设置连筋以及扇形延伸边，所述连筋与弹性板连接，扇形延伸边与弹性板对应设有限位槽和限位挡片。
3.根据权利要求1所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，所述平面反射镜和位置探测器均设有支架，各支架与底板固定，并能能够调节平面反射镜和位置探测器的水平角度。
4.根据权利要求1所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，所述激光器与立柱活动连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，所述二维移动平台为手动双轴平移台。
6.根据权利要求1所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，所述载物台的中心设有能够嵌装弹性敏感元件的嵌装槽。
7.根据权利要求1所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，所述高速直流电机设有能够对其转速进行调节控制的电子调速器。
8.根据权利要求1所述的一种微观摩擦磨损性能测试装置，其特征是，还设有计算机系统，激光位移传感器、电子调速器和位置探测器均与计算机系统相连。
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