CN1297813C - 微摩擦测试装置 - Google Patents

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Abstract

一种微摩擦测试装置，二维位移平台上固定的二维测力传感器采用悬臂结构，相互垂直的卧式弯曲梁和立式弯曲梁通过连接块固定在一起，卧式弯曲梁和立式弯曲梁均由两平行弹性体组成，悬臂一端固定，另一端悬臂前端上固定有被测圆柱与摩擦头，被测圆柱正上方的非接触位移传感器的探头由刚性悬梁固定在二维移动平台上。立式弯曲梁上粘贴有应变片用于对摩擦力的测量，载荷的测量则通过位移传感器间接实现。本发明能同时测量微毫牛级载荷和摩擦力，无需采用高精度微位移平台就能实现载荷的高分辨率加载，同时保证了测力精度。

Description

微摩擦测试装置
技术领域
本发明涉及一种微摩擦测试装置，尤其涉及一种用于评定各种表面纳米润滑膜(或涂层)摩擦学性能的球盘式微摩擦测试装置。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)应用日益广泛，其体现出来的摩擦磨损问题也越来越突出。控制改善微机械表面特性是改善其微摩擦学性能的有效途径，通过表面纳米膜(或涂层)可以大幅降低磨损与粘着现象发生，从而提高微机械的使用寿命。微摩擦测试对于评估这些表面润滑膜的摩擦学性能有重要意义。然而现有摩擦磨损实验设备，如销盘式摩擦磨损试验机、四球摩擦磨损试验机等普遍工作在牛级以上，均达不到微摩擦测试所需的毫牛级精度。文献[杨明楚，雒建斌，温诗铸.磁记录微观摩擦学性能测试仪的研制.清华大学学报(自然科学版)，2000，40(8)：36-40]和[黎海文，贾宏光，吴一辉，等.微摩擦测试仪力传感器的研究.光学精密工程，2002，10(4)，388-391]中提到的微摩擦测试仪都是采用在弹性体上贴应变片，利用电阻应变效应将载荷和摩擦引起的弹性体应变转化为电阻变化，继而通过电桥进一步转换成电压信号，从而间接测出载荷和摩擦力的大小。在这些测试装置中，载荷的加载是通过改变弹性体的应变大小实现的，但是由于弹性体应变量极其小，为获得较高的载荷加载分辨率需采用昂贵的高精度微米级位移平台才能实现，例如采用压电陶瓷伸缩管实现微位移，这就造成成本提高；另外，运动平台的水平度需达到很高，这样才能避免微摩擦测试中载荷幅度变化不至于太大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种经济实用的微摩擦测试装置，不仅能同时测量微毫牛级的摩擦力和法向载荷，而且具有较高的载荷加载分辨率。
为实现这样的目的，本发明所采用的技术方案是：二维位移平台上固定一个采用悬臂结构的二维测力传感器，二维测力传感器中，相互垂直的卧式弯曲梁和立式弯曲梁通过连接块固定在一起，卧式弯曲梁和立式弯曲梁均由两平行弹性体组成，悬臂一端固定，另一端为悬臂前端，悬臂前端上固定有被测圆柱与摩擦头。被测圆柱正上方安装有非接触位移传感器的探头，由刚性悬梁固定在二维移动平台上。立式弯曲梁上粘贴有应变片用于对摩擦力的测量，载荷的测量则通过位移传感器间接实现。
本发明中，可在水平方向和垂直方向实现微位移的二维位移平台上固定一个二维测力传感器。二维测力传感器采用弹性体悬臂结构，包括由卧式弯曲梁、连接块、立式弯曲梁等组成的悬臂及悬臂正上方的刚性悬梁和位移传感器探头。立式弯曲梁和卧式弯曲梁分别由两平行弹性体组成，正方体连接块在长度方向连接相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁，组成悬臂主体结构。四片应变片对称粘贴于立式弯曲梁任一弹性体的正反面，并组成全桥电路，位置紧靠二维移动平台。悬臂端作为悬臂的自由端与卧式弯曲梁相连。悬臂端底部固定有摩擦球，顶部的被测圆柱作为其上方位移传感器探头的参考被测面。位移传感器探头位于刚性悬梁的一端，刚性悬梁的另一端固定在二维移动平台上。与调速电机同轴相连的样品台上用于放置摩擦测试样品。
摩擦实验时，调速电机带动样品台作球盘式摩擦运动，调节二维移动平台的垂直微调旋钮可改变悬臂上的卧式弯曲梁的应变大小，从而改变作用在待测样品上的载荷大小。摩擦球受到载荷和摩擦力的同时作用，立式弯曲梁和卧式弯曲梁均发生应变变形，位移传感器探头与被测圆柱的距离也发生变化，其中立式弯曲梁仅受摩擦力作用发生应变变形，位移传感器探头与被测圆柱的距离仅与载荷大小有关。利用电阻应变效应将摩擦力引起的弹性应变片应变转化为应变片电阻变化，继而通过电桥进一步转换成电压信号，从而间接测出载荷和摩擦力的大小；利用非接触位移传感器探头到被测圆柱端面的距离可间接得到载荷大小。
本发明采用非接触位移传感器测量载荷大小，无需采用高精度微位移平台就能实现载荷的高分辨率加载，同时保证了测力精度。二维测力传感器被固定在二维移动平台上，通过二维移动平台上的水平和垂直微调旋钮可改变载荷大小和摩擦接触点位置，不仅能同时测量微毫牛级载荷和摩擦力，而且具有较高的载荷加载分辨率。
本发明结构简单，可靠性好，同时成本低，可广泛应用于各种薄膜(或涂层)微摩擦性能评估测试。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图1中，1.水平微调旋钮，2.二维位移平台，3.垂直微调旋纽，4.刚性悬梁，5.位移传感器探头，6.样品，7.样品台，8.调速电机，13.卧式弯曲梁，14.连接块，15.立式弯曲梁。
图2是本发明的二维测力传感器立体结构示意图。
图2中，4.刚性悬梁，5.位移传感器探头，9.固定端，10.被测圆柱，11.摩擦球，12.悬臂端，13.卧式弯曲梁，14.连接块，15.立式弯曲梁，16.应变片
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的结构原理如图1所示，二维位移平台2通过左下的水平微调旋钮1和顶部的垂直微调旋纽3在水平方向和垂直方向实现微位移，二维位移平台2的一侧固定二维测力传感器。二维测力传感器的结构包括由卧式弯曲梁13、连接块14、立式弯曲梁15等组成的悬臂及悬臂正上方的刚性悬梁4和位移传感器探头5。刚性悬梁4一端固定在二维移动平台上，另一端放置位移传感器探头5。与调速电机8同轴相连的样品台7上放置摩擦测试样品6。
本发明中二维测力传感器采用弹性体悬臂结构，如图2所示。立式弯曲梁15和卧式弯曲梁13分别由两平行弹性体组成，正方体连接块14在长度方向连接相互垂直的立式弯曲梁15和卧式弯曲梁13，组成悬臂主体结构。四片应变片16对称粘贴于立式弯曲梁15任一弹性体的正反面，并组成全桥电路，位置紧靠连接二维移动平台2的固定端9。悬臂端12作为悬臂的自由端与卧式弯曲梁13相连。悬臂端12底部固定有摩擦球11，顶部的被测圆柱10作为其上方位移传感器探头5的参考被测面。位移传感器探头5位于刚性悬梁4的一端，刚性悬梁4的另一端固定在二维移动平台上。
下面给出本发明微摩擦测试装置的工作原理。
摩擦测试样品6放置在与调速电机8同轴相连的样品台7上。调速电机8带动样品台7作球盘式摩擦运动，调节二维移动平台2的垂直微调旋钮3可改变悬臂9上的卧式弯曲梁13的应变大小，从而改变作用在待测样品6上的载荷大小。非接触位移传感器探头5与被测圆柱10距离变化反映了载荷变化情况。摩擦实验时，摩擦球11受到载荷和摩擦力的同时作用，立式弯曲梁15和卧式弯曲梁13均发生应变变形，位移传感器探头5与被测圆柱10的距离也发生变化，其中立式弯曲梁15仅受摩擦力作用发生应变变形，位移传感器探头5与被测圆柱10的距离仅与载荷大小有关。这就说明：一定的摩擦力对应立式弯曲梁15的一定应变大小；一定的载荷对应位移传感器探头5与被测圆柱10的一定距离。因而，可利用电阻应变效应将摩擦力引起的弹性应变片16应变转化为应变片电阻变化，继而通过电桥进一步转换成电压信号，从而间接测出载荷和摩擦力的大小；利用非接触位移传感器探头5到被测圆柱10端面的距离可间接得到载荷大小。
在本发明的一个实施例中，立式弯曲梁15由长40mm、宽10mm、厚0.34mm的两平行弹性体组成，两平行弹性体间距2mm；卧式弯曲梁13由长30mm、宽为10mm、厚0.1mm的两平行弹性体组成，两平行弹性体间距2mm。连接相互垂直的立式弯曲梁15和卧式弯曲梁13的正方体连接块14的边长为10mm，非接触位移传感器探头5的型号为北京鸿基点科技发展有限公司生产的ST-1-05，位于被测圆柱10的正上方1.5mm。ST-1-05位移传感器具有1.5mm的较大线性距离，即载荷从零到最大，二维位移平台12的垂直位移可达1.5mm，采用普通的位移平台，便可实现高分辨率的载荷加载。

Claims (1)

1、一种微摩擦测试装置，包括连接块、应变片、弯曲梁及调速电机，摩擦测试样品(6)放置在与调速电机(8)同轴相连的样品台(7)上，其特征在于二维位移平台(2)通过水平微调旋钮(1)和垂直微调旋纽(3)在水平方向和垂直方向实现微位移，二维位移平台(2)一侧固定的二维测力传感器中，正方体连接块(14)在长度方向连接相互垂直的立式弯曲梁(15)和卧式弯曲梁(13)，组成悬臂主体结构，立式弯曲梁(15)和卧式弯曲梁(13)分别由两平行弹性体组成，四片应变片(16)对称粘贴于立式弯曲梁(15)任一弹性体的正反面，并组成全桥电路，位置紧靠二维移动平台(2)，悬臂端(12)作为悬臂的自由端与卧式弯曲梁(13)相连，悬臂端(12)的底部固定有摩擦球(11)，悬臂端(12)顶部固定有被测圆柱(10)，被测圆柱(10)正上方的位移传感器探头(5)位于刚性悬梁(4)的一端，刚性悬梁(4)的另一端固定在二维移动平台上。
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