CN105334157A - 滑动摩擦系数测量装置和滑动摩擦系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动摩擦系数测量装置和滑动摩擦系数测量方法。所述滑动摩擦系数测量装置包括：第一和第二位移平台；石英音叉；激励信号源，激励信号源的激励频率为石英音叉的共振频率；音叉振动信号检测器；悬臂梁，悬臂梁设在第二位移平台上，悬臂梁垂直于音叉腿的轴向，音叉腿的端面与悬臂梁的自由端的第一表面相对，音叉腿的端面用于设置滑动元件或者音叉腿的端面为滑动面，悬臂梁的自由端的第一表面用于设置摩擦元件或者悬臂梁的自由端的第一表面为摩擦面；和位移传感器。根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置可以用于测量小尺度(微米、纳米)摩擦副之间的滑动摩擦系数，尤其是高频振荡摩擦条件下的滑动摩擦系数。

Description

滑动摩擦系数测量装置和滑动摩擦系数测量方法

技术领域

本发明涉及滑动摩擦系数测量装置和滑动摩擦系数测量方法。

背景技术

在小尺度材料和结构的摩擦测量领域，常用的方法有表面力仪和扫描探针技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、摩擦力显微镜等。这些技术可以被用于测量表面微观动态力学行为，适用于微摩擦、微划痕和纳米磨损等研究。但是，这些技术对试样和环境的要求很高，涉及的设备价格昂贵，且不易操作，尤其是在测量中摩擦副的相对滑动频率较低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种滑动摩擦系数测量装置，所述滑动摩擦系数测量装置可以测量小尺度(微米、纳米)摩擦副之间的滑动摩擦系数，尤其是高频振荡摩擦条件下的滑动摩擦系数。

本发明还提出一种滑动摩擦系数测量方法。

根据本发明第一方面实施例的滑动摩擦系数测量装置包括：第一位移平台和第二位移平台，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的至少一个沿第一方向可移动地设置；石英音叉，所述石英音叉设在所述第一位移平台上，所述石英音叉具有输入引线、输出引线和音叉腿；激励信号源，所述激励信号源通过导线与所述输入引线相连，所述激励信号源的激励频率为所述石英音叉的共振频率；用于测量所述石英音叉的振幅的音叉振动信号检测器；悬臂梁，所述悬臂梁设在所述第二位移平台上，所述悬臂梁垂直于所述音叉腿的轴向，所述音叉腿的端面与所述悬臂梁的自由端的第一表面相对，其中所述音叉腿的端面用于设置滑动元件或者所述音叉腿的端面为滑动面，所述悬臂梁的自由端的第一表面用于设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的第一表面为摩擦面；和用于测量所述悬臂梁的自由端的挠度的位移传感器。

根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置可以用于测量小尺度(微米、纳米)摩擦副之间的滑动摩擦系数，尤其是高频振荡摩擦条件下的滑动摩擦系数。

另外，根据本发明上述实施例的滑动摩擦系数测量装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的至少一个沿上下方向可移动地设置，所述悬臂梁位于所述石英音叉的下方，其中所述音叉腿的下表面用于设置滑动元件或者所述音叉腿的下表面为滑动面，所述悬臂梁的自由端的上表面用于设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的上表面为摩擦面。

根据本发明的一个实施例，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的每一个沿上下方向可移动地设置，所述第一位移平台的最小移动距离大于所述第二位移平台的最小移动距离。

根据本发明的一个实施例，所述音叉振动信号检测器为激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪与所述音叉腿相对，所述音叉腿悬空。

根据本发明的一个实施例，所述音叉振动信号检测器为示波器，所述示波器通过导线与所述输出引线相连。

根据本发明的一个实施例，所述位移传感器设在所述第二位移平台上。

根据本发明第二方面实施例的滑动摩擦系数测量方法包括以下步骤：A)将石英音叉的音叉腿的端面与悬臂梁的自由端的第一表面相对设置，且使所述悬臂梁垂直于所述石英音叉的音叉腿的轴向以便所述石英音叉的振动方向平行于所述悬臂梁的轴向，其中在所述石英音叉的音叉腿的端面上设置滑动元件或者所述石英音叉的音叉腿的端面为滑动面，在所述悬臂梁的自由端的第一表面上设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的第一表面为摩擦面；B)在所述石英音叉的共振频率处激励所述石英音叉；C)移动所述石英音叉和所述悬臂梁中的至少一个，以便使所述石英音叉的音叉腿的端面和所述滑动元件的滑动面中的一个与所述悬臂梁的自由端的第一表面和所述摩擦元件的摩擦面中的一个接触；D)在所述步骤C)进行前和进行后分别测量所述石英音叉的音叉腿的振幅，在所述步骤C)进行后测量所述悬臂梁的挠度，根据所述振幅和所述挠度计算所述滑动面与所述摩擦面的滑动摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤D)中，按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面之间的摩擦力：

$H=\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\mathrm{\Ω}(R^0-R)}{4}$

其中，H为摩擦力，为石英音叉的阻尼系数，k为石英音叉的刚度，Q为石英音叉的品质因子，Ω为石英音叉的共振圆频率，R⁰为在所述步骤C)进行前所述振幅的测量值，R为在所述步骤C)进行后所述振幅的测量值，

按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面的正压力：

N＝kδ

其中，N为正压力，δ为所述挠度的测量值，

按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面的滑动摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{H}{N}$

其中，μ为滑动摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤B)进行前，对所述石英音叉进行扫频操作以便确定所述石英音叉的实际的共振频率值。

附图说明

图1是根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置的测量结果的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10。如图1所示，根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10包括第一位移平台101、第二位移平台102、石英音叉103、激励信号源104、用于测量石英音叉103的振幅的音叉振动信号检测器、悬臂梁106和用于测量悬臂梁106的自由端的挠度的位移传感器(图中未示出)。

第一位移平台101和第二位移平台102中的至少一个沿第一方向可移动地设置。石英音叉103设在第一位移平台101上，石英音叉103具有输入引线1032、输出引线1033和音叉腿1031。激励信号源104通过导线与该输入引线1032相连，激励信号源104的激励频率为石英音叉103的共振频率。悬臂梁106设在第二位移平台102上，悬臂梁106垂直于音叉腿1031的轴向，音叉腿1031的端面与悬臂梁106的自由端的第一表面相对。其中，音叉腿1031的端面用于设置滑动元件或者音叉腿1031的端面为滑动面，悬臂梁106的自由端的第一表面用于设置摩擦元件或者悬臂梁106的自由端的第一表面为摩擦面。

下面参考图2描述根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量方法。根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量方法包括以下步骤：

A)将石英音叉103的音叉腿1031的端面与悬臂梁106的自由端的第一表面相对设置，且使悬臂梁106垂直于石英音叉103的音叉腿1031的轴向以便石英音叉103的振动方向平行于悬臂梁106的轴向，其中在石英音叉103的音叉腿1031的端面上设置滑动元件或者石英音叉103的音叉腿1031的端面为滑动面，在悬臂梁106的自由端的第一表面上设置摩擦元件或者悬臂梁106的自由端的第一表面为摩擦面；

B)在石英音叉103的共振频率处激励石英音叉103；

C)移动石英音叉103和悬臂梁106中的至少一个，以便使石英音叉103的音叉腿1031的端面和该滑动元件的滑动面中的一个与悬臂梁106的自由端的第一表面和该摩擦元件的摩擦面中的一个接触，以便形成摩擦副107；

D)在步骤C)进行前和进行后分别测量石英音叉103的音叉腿1031的振幅，在步骤C)进行后测量悬臂梁106的挠度，根据该振幅和该挠度计算滑动面与摩擦面的滑动摩擦系数。

根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10和滑动摩擦系数测量方法可以用于测量小尺度(微米、纳米)摩擦副107之间的滑动摩擦系数，尤其是高频振荡摩擦条件下的滑动摩擦系数。根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10和滑动摩擦系数测量方法利用石英音叉103在共振频率处的振幅变化与横向摩擦力之间的线性关系来测量摩擦副107的横向摩擦力，同时利用悬臂梁106的自由端的挠度和外力之间的线性关系来测量该摩擦副107的正压力，通过获得的横向摩擦力和正压力，计算得到摩擦副107的滑动摩擦系数。根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10和滑动摩擦系数测量方法主要用于微米、纳米尺度的材料之间的动态摩擦系数及其摩擦性能测量。而且，根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10和滑动摩擦系数测量方法也可以用于大尺度的材料之间的动态摩擦系数及其摩擦性能测量。

根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10和滑动摩擦系数测量方法可以在高频滑动条件下，同时测量由小尺度材料和结构形成的摩擦副107的摩擦力和正压力，进而计算得到滑动摩擦系数。

具体而言，通过修饰悬臂梁106的自由端的几何尺寸，可以适应从纳米到亚毫米尺度的试样的测量。而且，通过选择不同的石英音叉103或同一石英音叉103的不同阶的共振频率，可以实现在高速运动速度下，小尺度材料和结构的动摩擦系数的测量。

因此，根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10具有配置简单、较易操作等优点。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，滑动摩擦系数测量装置10包括第一位移平台101、第二位移平台102、石英音叉103、激励信号源104、用于测量石英音叉103的振幅的音叉振动信号检测器、悬臂梁106和用于测量悬臂梁106的自由端的挠度的位移传感器。

有利地，位移传感器设在第二位移平台102上。其中，当悬臂梁106的自由端的挠度与微米尺度相当或更大时，可以用第二位移平台102替代该位移传感器。

在本发明的一个实施例中，第一位移平台101和第二位移平台102中的至少一个沿上下方向可移动地设置，悬臂梁106位于石英音叉103的下方。其中，音叉腿1031的下表面用于设置该滑动元件或者音叉腿1031的下表面为滑动面，悬臂梁106的自由端的上表面用于设置该摩擦元件或者悬臂梁106的自由端的上表面为摩擦面。上下方向如图1中的箭头A所示。

有利地，第一位移平台101和第二位移平台102中的每一个沿上下方向可移动地设置，第一位移平台101的最小移动距离大于第二位移平台102的最小移动距离。换言之，利用第一位移平台101进行粗调，使音叉腿1031接近悬臂梁106，然后利用第二位移平台102进行精调，以便使石英音叉103的音叉腿1031的端面和该滑动元件的滑动面与悬臂梁106的自由端的第一表面和该摩擦元件的摩擦面中的一个接触。

具体而言，当测量第一材料和第二材料的滑动摩擦系数时，可以使该滑动元件由该第一材料和该第二材料中的一个制成，该摩擦元件由该第一材料和该第二材料中的另一个制成。其中，该滑动元件设在音叉腿1031的下端面上，该摩擦元件设在悬臂梁106的自由端的上表面上，以便形成摩擦副107。

如果石英音叉103的音叉腿1031的材料与该第一材料和该第二材料中的一个相同，则可以利用石英音叉103的音叉腿1031的下端面作为滑动面。有利地，悬臂梁106由该第一材料和该第二材料中的另一个制成，由此无需单独制造出该摩擦元件。换言之，悬臂梁106与该摩擦元件形成为一体。

悬臂梁106的材料和几何形状可根据需要自由选择。例如，悬臂梁106为直径为80微米的钨丝，可选择悬臂梁106的长度为2厘米左右，以实现足够大的变形。悬臂梁106的自由端受到的横向力(即施加在摩擦副107上的正压力)与悬臂梁106的横向挠度成正比，采用该位移传感器测量该挠度值后，即可得到该横向力的大小。

石英音叉103可以是商业音叉。其中，石英音叉103具有两个音叉腿1031，输入引线1032与每个音叉腿1031的表面上的两片金属薄膜相连(例如电连接)以便形成一个电极，输出引线1033与每个音叉腿1031的表面上的另外两片金属薄膜相连(例如电连接)以便形成另一个电极。

在实际使用时，石英音叉103的共振频率会发生偏移。为了提高测量的精确度，在测量前(例如在石英音叉103的共振频率处激励石英音叉103之前)可以利用示波器和信号发生器对石英音叉103进行扫频操作，以便确定石英音叉103的实际的共振频率值。

激励信号源104使用信号发生器，激励信号源104通过导线与石英音叉103的输入引线1032相连。激励信号源104的激励频率为石英音叉103的共振频率(例如一阶共振频率、二阶共振频率、三阶共振频率)。

在石英音叉103的音叉腿1031的端面和该滑动元件的滑动面中的一个与悬臂梁106的自由端的第一表面和该摩擦元件的摩擦面中的一个接触之前和之后，测量音叉腿1031的端部的振幅。

在本发明的一个示例中，音叉振动信号检测器为激光多普勒测速仪1051，激光多普勒测速仪1051与音叉腿1031相对，音叉腿1031悬空。激光多普勒测速仪1051可以直接测量石英音叉103的音叉腿1031的端部的振幅。具体而言，在采用激光多普勒测速仪1051测量振幅的情况下，激励信号源104与石英音叉103的输入引线1032连接，并将石英音叉103在共振频率处进行激励，石英音叉103的输出引线1033设置为断开，不与外界电路连接。

在本发明的另一个示例中，音叉振动信号检测器为示波器1052，示波器1052通过导线与石英音叉103的输出引线1033相连。示波器1052测量石英音叉103的音叉腿1031的电压幅值，该电压幅值与音叉腿1031的位移幅值线性相关。

该音叉振动信号检测器测量得到的振幅值与石英音叉103受到的横向力(即摩擦副107受到的摩擦力)成线性关系，依据该线性关系，由测量得到的振幅变化可获得实时的摩擦力大小。

在本发明的一些示例中，在步骤D)中，按照下列公式计算该滑动面与该摩擦面之间的摩擦力：

$H=\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\mathrm{\Ω}(R^0-R)}{4}$

其中，H为摩擦力，为石英音叉103的阻尼系数，k为石英音叉103的刚度，Q为石英音叉103的品质因子，Ω为石英音叉103的共振圆频率，R⁰为在步骤C)进行前音叉腿1031的振幅的测量值，R为在步骤C)进行后音叉腿1031的振幅的测量值。

按照下列公式计算该滑动面与该摩擦面的正压力：

N＝kδ

其中，N为正压力，δ为挠度的测量值。

按照下列公式计算该滑动面与该摩擦面的滑动摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{H}{N}$

其中，μ为滑动摩擦系数。

如图3所示，R1为石英音叉103的音叉腿1031的端面和该滑动元件的滑动面中的一个与悬臂梁106的自由端的第一表面和该摩擦元件的摩擦面中的一个刚开始接触时，音叉腿1031的振幅的测量值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种滑动摩擦系数测量装置，其特征在于，包括：

第一位移平台和第二位移平台，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的至少一个沿第一方向可移动地设置；

石英音叉，所述石英音叉设在所述第一位移平台上，所述石英音叉具有输入引线、输出引线和音叉腿；激励信号源，所述激励信号源通过导线与所述输入引线相连，所述激励信号源的激励频率为所述石英音叉的共振频率；

用于测量所述石英音叉的振幅的音叉振动信号检测器；

悬臂梁，所述悬臂梁设在所述第二位移平台上，所述悬臂梁垂直于所述音叉腿的轴向，所述音叉腿的端面与所述悬臂梁的自由端的第一表面相对，其中所述音叉腿的端面用于设置滑动元件或者所述音叉腿的端面为滑动面，所述悬臂梁的自由端的第一表面用于设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的第一表面为摩擦面；和

用于测量所述悬臂梁的自由端的挠度的位移传感器。

2.根据权利要求1所述的滑动摩擦系数测量装置，其特征在于，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的至少一个沿上下方向可移动地设置，所述悬臂梁位于所述石英音叉的下方，其中所述音叉腿的下表面用于设置滑动元件或者所述音叉腿的下表面为滑动面，所述悬臂梁的自由端的上表面用于设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的上表面为摩擦面。

3.根据权利要求2所述的滑动摩擦系数测量装置，其特征在于，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的每一个沿上下方向可移动地设置，所述第一位移平台的最小移动距离大于所述第二位移平台的最小移动距离。

4.根据权利要求1所述的滑动摩擦系数测量装置，其特征在于，所述音叉振动信号检测器为激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪与所述音叉腿相对，所述音叉腿悬空。

5.根据权利要求1所述的滑动摩擦系数测量装置，其特征在于，所述音叉振动信号检测器为示波器，所述示波器通过导线与所述输出引线相连。

6.根据权利要求1所述的滑动摩擦系数测量装置，其特征在于，所述位移传感器设在所述第二位移平台上。

7.一种滑动摩擦系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)将石英音叉的音叉腿的端面与悬臂梁的自由端的第一表面相对设置，且使所述悬臂梁垂直于所述石英音叉的音叉腿的轴向以便所述石英音叉的振动方向平行于所述悬臂梁的轴向，其中在所述石英音叉的音叉腿的端面上设置滑动元件或者所述石英音叉的音叉腿的端面为滑动面，在所述悬臂梁的自由端的第一表面上设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的第一表面为摩擦面；

B)在所述石英音叉的共振频率处激励所述石英音叉；

C)移动所述石英音叉和所述悬臂梁中的至少一个，以便使所述石英音叉的音叉腿的端面和所述滑动元件的滑动面中的一个与所述悬臂梁的自由端的第一表面和所述摩擦元件的摩擦面中的一个接触；

D)在所述步骤C)进行前和进行后分别测量所述石英音叉的音叉腿的振幅，在所述步骤C)进行后测量所述悬臂梁的挠度，根据所述振幅和所述挠度计算所述滑动面与所述摩擦面的滑动摩擦系数。

8.根据权利要求7所述的滑动摩擦系数测量方法，其特征在于，在所述步骤D)中，按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面之间的摩擦力：

$H=\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\γ}\mathrm{\Ω}(R^0-R)}{4}$

其中，H为摩擦力，为石英音叉的阻尼系数，k为石英音叉的刚度，Q为石英音叉的品质因子，Ω为石英音叉的共振圆频率，R⁰为在所述步骤C)进行前所述振幅的测量值，R为在所述步骤C)进行后所述振幅的测量值，

按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面的正压力：

N＝kδ

其中，N为正压力，δ为所述挠度的测量值，

按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面的滑动摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{H}{N}$

其中，μ为滑动摩擦系数。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的滑动摩擦系数测量方法，其特征在于，在所述步骤B)进行前，对所述石英音叉进行扫频操作以便确定所述石英音叉的实际的共振频率值。