CN105318997B - 一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置及其方法，装置包括支架、石英音叉、振动发生器、测量探针、多普勒振动测试仪、压电微动实验台、第一正及第二正弦信号发生器、信号调理电路、第一及第二锁相放大器、数据采集模块和计算机；方法包括以下步骤：将待测样品放置在压电微动实验台上，调整压电微动实验台与测量探针的距离；调整第一及第二正弦信号发生器的振动频率以及幅值；连续调整压电微动实验台的高度，使其以设定的速度接近测量探针；计算机开始记录振动幅值、相位变化信息；然后计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS。本发明能够实现液相物质轴向力及剪切力的二维力测量，可以获得较高的Q值，从而获得较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种液相物质轴向力及剪切力的测量装置及其方法，具体涉及一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置及其方法。
背景技术
在机械传动中，如滚动轴承流体润滑剂对隔离摩擦副、降低磨损、延长机械寿命起到重要作用。而随着机械设备的精密化、高速化发展，对其工作环境和条件要求日益严苛，机构中的润滑膜厚度不断降低，而润滑性能要求则日益提高。润滑剂工作中的轴向力和剪切力变化情况，可以反映润滑剂的润滑效果，因此轴向力及剪切力的测量是研究润滑剂薄膜性能的重要手段。
石英音叉作为石英晶体谐振器，是一种应用较为广泛的微力测量传感器，特别作为液相介质参数测量传感器和微纳米表面形貌测量探头。然而目前常用的石英音叉传感器多为单端固定式，即一端用底座固定，另一端采用开放式设计。在过去的应用中，石英音叉单独使用时，可以获得较高的Q值，从而获得较高的灵敏度。然而，如进行二维力测量，需要在开放端耦合其他结构，则其动态平衡将被打破，使得系统Q值降低。为了提高Q值，则需要在设计中加入较为笨重的隔离系统。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置及其方法，能够实现液相物质轴向力及剪切力的二维力测量，可以获得较高的Q值，从而获得较高的灵敏度。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，包括支架、嵌入支架中用于测量轴向力的石英音叉、振动发生器、测量探针、多普勒振动测试仪、位于测量探针下方的压电微动实验台、用作激励源的第一正弦信号发生器及第二正弦信号发生器、输入端接第二石英音叉电极用于实现石英音叉输出信号I/V转换及放大的信号调理电路、第一锁相放大器及第二锁相放大器、与第一锁相放大器及第二锁相放大器输出端相连接用于采集第一锁相放大器及第二锁相放大器输出信号的数据采集模块和与数据采集模块输出端相连接的计算机；待测润滑剂薄膜放置在所述压电微动实验台上，所述压电微动实验台通过压电位移驱动器调整实验台高度；石英音叉的一端固定在支架上，另一端与振动发生器的背面相连接，振动发生器的正面与测量探针相连接；石英音叉包括用于驱动石英音叉振动的第一音叉臂和用于采集石英音叉输出信号的第二音叉臂，第一音叉臂和第二音叉臂分别连接第一石英音叉电极和第二石英音叉电极；多普勒振动测试仪其激光束瞄准测量探针，反射光频率随着测量探针振动速度发生偏移，多普勒振动测试仪检测该反射光，经过光电转换，转换为电压信号输出，多普勒振动测试仪的输出端与第二锁相放大器输入端相接；第一正弦信号发生器的第一输出端接第一石英音叉电极用于对其进行驱动，第一正弦信号发生器的第二输出端将参考信号输 入第一锁相放大器；第二正弦信号发生器的第一输出端接振动发生器用于驱动其在水平方向振动，第二正弦信号发生器的第二输出端将参考信号输入第二锁相放大器；第一锁相放大器用于比较石英音叉输出信号与参考信号的相位、振幅变化，并将其变化转换为电压；第二锁相放大器用于比较多普勒振动测试仪输出信号与参考信号的相位、振幅变化，并将其变化转换为电压；计算机对数据采集模块采集的信息进行分析计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS，同时驱动所述压电微动实验台以设定的速度接近测量探针。
上述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均为8mm×0.2mm×0.2mm；测量探针的针头直径为100μm；振动发生器具体采用的是压电陶瓷，所述压电陶瓷的尺寸为2mm×2mm×2mm。
上述第一正弦信号发生器及第二正弦信号发生器均采用的是双通道函数信号发生器AFG3022B；第一锁相放大器及第二锁相放大器均采用的是AD630芯片；数据采集模块采用的是PCI-6229DAQ数据采集卡。
本发明的基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，包括以下几个步骤：
A.将待测润滑剂薄膜放置在压电微动实验台上，调整所述压电微动实验台与测量探针之间的距离为设定的初始距离；
B.开启电源，调整第一正弦信号发生器和第二正弦信号发生器的频率以及幅值；
C.连续调整所述压电微动实验台的高度，使其以设定的速度接近测量探针；同时计算机开始记录来自石英音叉以及多普勒振动测试仪的振动幅值、相位变化信息；
D.根据以下公式分别计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS：
其中，η是粘度系数，d为测量探针直径，h为测量探针尖端与压电微动实验台台面的距离，S为测量探针与待测润滑剂薄膜(14)的接触面积，V为振动速度；而η由以下公式求得：
其中，α为输出振幅与参考振幅之比，δ为输出相位与参考相位之差，ω为振动角频率。
步骤(A)中，所述压电微动实验台与测量探针之间的初始距离为0.5-0.8cm。
步骤(C)中，所述压电微动实验台以6nm/sec的速度接近测量探针。
本发明采用双端固定式石英音叉作为传感器，音叉一端与剪切力测量用探针相连接，能够实现轴向力和剪切力同时测量，同时可以获得较高的系统Q值，进而提高测量灵敏度，简化测力装置结构；另外，本发明采用的双端固定式音叉嵌入支架的结构，提高了音叉的刚度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置结构示意图；
图2为图1中的音叉-支架装配图；
图3为图2的A-A剖视图；
图中各标号：支架1、石英音叉2、振动发生器3、测量探针4、多普勒振动测试仪5、压电微动实验台6、第一正弦信号发生器7、第二正弦信号发生器8、信号调理电路9、第一锁相放大器10、第二锁相放大器11、数据采集模块12、计算机13、待测润滑剂薄膜14、沉孔15。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明的一种基于双端固定式石英音叉2的二维测力装置包括机械系统及电路系统两个主要部分。其中，机械系统包括双端固定式的石英音叉2及其支架，振动发生器3(具体采用的是压电陶瓷)及测量探针4(具体采用的是金属探针)、多普勒振动测试仪5以及压电微动实验台6。电路系统包括第一正弦信号发生器7、第二正弦信号发生器8、信号调理电路9、第一锁相放大器10、第二锁相放大器11、数据采集模块12和计算机13。
石英音叉2作为敏感元件，在交变电流的作用下，音叉臂在水平方向振动，带动测量探针4上下振动，用于轴向力测量，其上端固定于支架上，下端与振动发生器3背面相粘接，振动发生器3正面与测量探针4相连。由于音叉测力是利用石英晶体的压电效应，因此双端固定式的石英音叉2上端接入两电极。两电极中的第一电极接入第一正弦信号发生器7，第二电极接入信号调理电路9，做传感器输出信号。
第一正弦信号发生器7用作激励源，一方面对石英音叉2进行驱动，另一方面作为参考信号输入第一锁相放大器10。
信号调理电路9实现传感器输出信号的I/V转换以及放大。
第一锁相放大器10用于比较传感器输出信号与参考信号的相位变化，并将相位变化转换为电压，并通过数据采集模块12传送至计算机13。以上构成轴向力测量系统。
振动发生器3与测量探针4用于剪切力测量。
第二正弦信号发生器8用作激励源，一方面驱动振动发生器3在水平方向振 动，另一方面作为参考信号输入第二锁相放大器11。
多普勒振动测试仪5其激光束瞄准金属探针，反射光频率随着金属探针振动速度发生偏移，经过光电转换，转换为电信号。
第二锁相放大器11用于比较多普勒振动测试仪5输出信号与参考信号的相位、振幅变化，并通过数据采集模块12传送至计算机13。以上构成剪切力测量系统。
计算机13的作用是读取传感器测量信息，进行分析计算，同时驱动压电微动实验台6。
压电微动实验台6用于放置待测润滑剂薄膜14，利用压电效应驱动压电位移驱动器调整实验台高度。高度调整可实现单步及连续两种模式，连续调整高度变化速度为6nm/sec。
双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度。
本实施例中，石英音叉2臂尺寸为8mm×0.2mm×0.2mm。测量探针4的针头直径为100μm，压电陶瓷的尺寸为2mm×2mm×2mm。第一正弦信号发生器7和第二正弦信号发生器8用作激励源，均选用泰克公司的双通道函数信号发生器AFG3022B。第一锁相放大器10和第二锁相放大器11均选用AD630芯片实现。数据采集模块12采用NI公司的PCI-6229DAQ数据采集卡，用于采集第一锁相放大器10和第二锁相放大器11的输出信号。
本发明利用的是音叉测力原理实现的。石英音叉2是利用石英晶体的压电效应而制成的，工作时给石英音叉2施加合适的正弦交流电压信号，使石英音叉2处于近谐振状态。当探针靠近被测液体润滑剂表面时，由于处于谐振状态的石英音叉臂对外力极为敏感，探针表面原子团与液体表面原子团之间的作用力会使得音叉振动的幅值和相位发生变化。通过测量其相位、幅值的变化即可测得液体和探针之间的作用力大小。
本发明采用双端固定式石英音叉作为传感器，其特点是两个音叉臂两端均采用底座固定，其两音叉臂的横向振动相位差为180°，因此分布于音叉臂两端基部的动态力时大小相等方向相反的一力偶。此时一端与剪切力测量用探针相连接，探针的振动能量可忽略，因此提高了系统Q值及灵敏度，简化了结构。
参见图2和图3，双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度，其上设置沉孔15，便于支架固定。
二维测力装置的测量方法如下：
A.将待测润滑剂薄膜14置于压电微动实验台6，调整实验台高度至接近测量探针4，其距离一般为0.5-0.8cm；
B.开启电源，调整第一正弦信号发生器7和第二正弦信号发生器8的振动频率以及幅值；
C.连续调整压电微动实验台6高度，使其以6nm/sec的速度接近测量探针4， 同时计算机13开始记录数据，此时记录的数据是分别为来自石英音叉2以及激光多普勒振动测试仪5的振动幅值、相位变化信息；
D.根据以下公式分别计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS：
其中，η是粘度系数，d为探针直径，h为探针尖端与底板的距离，S为探针与润滑膜的接触面积，V为振动速度。而η可由以下公式求得：
其中，α为输出振幅与参考振幅之比，δ为输出相位与参考相位之差。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，其特征在于，包括支架(1)、嵌入支架(1)中用于测量轴向力的石英音叉(2)、振动发生器(3)、测量探针(4)、多普勒振动测试仪(5)、位于测量探针(4)下方的压电微动实验台(6)、用作激励源的第一正弦信号发生器(7)及第二正弦信号发生器(8)、输入端接第二石英音叉电极用于实现石英音叉输出信号I/V转换及放大的信号调理电路(9)、第一锁相放大器(10)及第二锁相放大器(11)、与第一锁相放大器(10)及第二锁相放大器(11)输出端相连接用于采集第一锁相放大器(10)及第二锁相放大器(11)输出信号的数据采集模块(12)和与数据采集模块(12)输出端相连接的计算机(13)；
待测润滑剂薄膜(14)放置在所述压电微动实验台(6)上，所述压电微动实验台(6)通过压电位移驱动器调整实验台高度；
所述石英音叉(2)的一端固定在支架(1)上，另一端与振动发生器(3)的背面相连接，所述振动发生器(3)的正面与测量探针(4)相连接；
所述石英音叉(2)包括用于驱动石英音叉(2)振动的第一音叉臂和用于采集石英音叉输出信号的第二音叉臂，所述第一音叉臂和第二音叉臂分别连接第一石英音叉电极和第二石英音叉电极；
所述多普勒振动测试仪(5)其激光束瞄准测量探针(4)，反射光频率随着测量探针(4)振动速度发生偏移，所述多普勒振动测试仪(5)检测该反射光，经过光电转换，转换为电压信号输出，所述多普勒振动测试仪(5)的输出端与第二锁相放大器(11)输入端相接；
所述第一正弦信号发生器(7)的第一输出端接第一石英音叉电极用于对其进行驱动，第一正弦信号发生器(7)的第二输出端将参考信号输入第一锁相放大器(10)；
所述第二正弦信号发生器(8)的第一输出端接振动发生器(3)用于驱动其在水平方向振动，第二正弦信号发生器(8)的第二输出端将参考信号输入第二锁相放大器(11)；
所述第一锁相放大器(10)用于比较石英音叉输出信号与参考信号的相位、振幅变化，并将其变化转换为电压；
所述第二锁相放大器(11)用于比较多普勒振动测试仪(5)输出信号与参考信号的相位、振幅变化，并将其变化转换为电压；
所述计算机(13)对数据采集模块(12)采集的信息进行分析计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS，同时驱动所述压电微动实验台(6)以设定的速度接近测量探针(4)。
2.根据权利要求1所述的基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，其特征在于，所述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均为8mm×0.2mm×0.2mm；
所述测量探针(4)的针头直径为100μm；
所述振动发生器(3)具体采用的是压电陶瓷，所述压电陶瓷的尺寸为2mm×2mm×2mm。
3.根据权利要求1所述的基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，其特征在于，所述第一正弦信号发生器(7)及第二正弦信号发生器(8)均采用的是双通道函数信号发生器AFG3022B；
所述第一锁相放大器(10)及第二锁相放大器(11)均采用的是AD630芯片；
所述数据采集模块(12)采用的是PCI-6229DAQ数据采集卡。
4.根据权利要求1所述基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
A.将待测润滑剂薄膜(14)放置在压电微动实验台(6)上，调整所述压电微动实验台(6)与测量探针(4)之间的距离为设定的初始距离；
B.开启电源，调整第一正弦信号发生器(7)和第二正弦信号发生器(8)的频率以及幅值；
C.连续调整所述压电微动实验台(6)的高度，使其以设定的速度接近测量探针(4)；同时计算机(13)开始记录来自石英音叉(2)以及多普勒振动测试仪(5)的振动幅值、相位变化信息；
D.根据以下公式分别计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS：
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>8</mn>
<mn>5</mn>
</mfrac>
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<mi> </mi>
<mi>l</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>d</mi>
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</mfrac>
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<mi>&eta;</mi>
<mi>V</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，η是粘度系数，d为测量探针直径，h为测量探针尖端与压电微动实验台(6)台面的距离，S为测量探针与待测润滑剂薄膜(14)的接触面积，V为振动速度；
而η由以下公式求得：
<mrow>
<mi>&eta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>h</mi>
<mi> </mi>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
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</mrow>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，α为输出振幅与参考振幅之比，δ为输出相位与参考相位之差，ω为振动角频率。
5.根据权利要求4所述基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，其特征在于，步骤A中，所述压电微动实验台(6)与测量探针(4)之间的初始距离为0.5-0.8cm。
6.根据权利要求4所述基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，其特征在于，步骤C中，所述压电微动实验台(6)以6nm/sec的速度接近测量探针(4)。
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