CN1316235C - 二维微力测量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维微力测量传感器，应用于微摩擦测试。采用弹性体悬臂结构，由相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，悬臂一端固定，一端安装有摩擦头。立式弯曲梁和卧式弯曲梁均由两平行弹性体组成，弹性体上贴有应变片组成全桥电路。在摩擦测试中，测力传感器受载荷和摩擦力同时作用发生应变变形，其中卧式弯曲梁仅受法向载荷发生应变变形，立式弯曲梁则仅受摩擦力作用发生应变变形，通过应变检测可间接测出法向载荷和摩擦力的大小。本发明具有二维测量能力，能同时测量接触摩擦中的微毫牛级的法向载荷和摩擦力，且只需改变摩擦头类型就可进行点、线、面接触方式的摩擦测试。

Description

二维微力测量传感器
技术领域
本发明涉及一种测力传感器，尤其涉及一种利用弹性体应变变形进行微摩擦测试的二维微力测量传感器，属于传感器技术领域。
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日益突出。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。微摩擦测试的核心是对微小载荷和摩擦力的测量，即微力测量传感器。现有公知的测力传感器在微摩擦测试中通常只能进行一种接触方式的摩擦测试。文献“自适应微摩擦综合测试仪的研制与纳米润滑实验研究”  [钱林茂，雒建斌等，清华大学学报(自然科学版)，1998，38(4)：33-37]提出了一种能进行点、线、面接触测试的微摩擦测试装置，这种微摩擦测试装置采用自制的多用途自适应浮动结构实现点、线、面多种方式测量。然而，这种自适应浮动结构是通过一种机械装置实现摩擦头的三维自由转动，机械装置轴承固有的摩擦阻力直接造成测力分辨率不高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种应用于微摩擦测试中的二维微力测量传感器，不仅能同时测量微毫牛级的摩擦力和法向载荷，而且适合点、线、面多种接触方式的摩擦测试。
为实现这样的目的，本发明采用的技术方案是：二维微力测量传感器的结构采用弹性体悬臂结构，由相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，悬臂一端固定，一端安装有摩擦头。立式弯曲梁和卧式弯曲梁均由两平行弹性体组成，弹性体上贴有应变片组成全桥电路。在摩擦测试中，微力测量传感器受载荷和摩擦力同时作用发生应变变形，其中卧式弯曲梁仅受法向载荷发生应变变形，立式弯曲梁则仅受摩擦力作用发生应变变形。通过应变检测可间接测出法向载荷和摩擦力的大小。
在本发明中，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，立式弯曲梁另一端连接固定板形成固定约束，卧式弯曲梁另一端则形成悬臂自由端。四片应变片对称粘贴于卧式弯曲梁任意一片的正反面，组成全桥电路，位置紧靠连接块；另有四片应变片对称粘贴于立式弯曲梁任意一片的正反面，同样组成全桥电路，位置紧靠固定板。悬臂前端连接卧式弯曲梁的自由端，悬臂前端中间开带内螺纹的垂直孔，摩擦头旋入垂直孔中并向下伸出头部。
当在摩擦头上作用一法向载荷时，卧式弯曲梁发生应变变形，而立式弯曲梁则保持不变。当在摩擦头上作用一横向摩擦力时，立式弯曲梁发生应变变形，而卧式弯曲梁则保持不变。依据力的叠加原理可知，在摩擦力和载荷同时作用下，测力传感器的悬臂能将载荷和摩擦力进行有效分解：法向载荷仅使卧式弯曲梁发生应变变形，摩擦力仅使立式弯曲梁发生应变变形。利用电阻应变效应将载荷或摩擦力引起的相应弯曲梁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。在法向载荷和摩擦力同时作用下，悬臂前端始终不发生任何偏转，仅作平行位移，从而只需改变摩擦头类型就可进行点、线、面接触方式的微摩擦测试。
本发明结构简单，实现容易，可以进行各种接触方式微摩擦测试，同时保证了测量精度与分辨率，因而非常适合作为微摩擦测试仪器中的测力传感器。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图1中，1.固定板，2.立式弯曲梁，3.连接块，4.应变片，5.悬臂前端，6.摩擦头，7.卧式弯曲梁，8.应变片。
图2是本发明中悬臂前端的结构剖面图。
图2中，5.悬臂前端，6.摩擦头，7.卧式弯曲梁。
图3是本发明的悬臂受法向载荷变形主视图。
图4是本发明的悬臂受摩擦力变形俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的二维微力测量传感器采用弹性体悬臂结构，如图1所示，立式弯曲梁2和卧式弯曲梁7分别由两平行弹性体组成，正方体连接块3在长度方向连接相互垂直的立式弯曲梁2和卧式弯曲梁7，组成悬臂主体结构，立式弯曲梁2另一端连接固定板1形成固定约束，卧式弯曲梁7另一端则形成悬臂自由端。四片应变片4对称粘贴于卧式弯曲梁7任意一片的正反面，组成全桥电路，位置紧靠连接块3；另有四片应变片8对称粘贴于立式弯曲梁2任意一片的正反面，同样组成全桥电路，位置紧靠固定板1。悬臂前端5连接卧式弯曲梁7的自由端，悬臂前端5中间开带内螺纹的垂直孔，摩擦头6旋入垂直孔中并向下伸出头部。
图2是本发明中悬臂前端的结构剖面图。如图2所示，悬臂前端5连接卧式弯曲梁7的自由端，悬臂前端5中间开带内螺纹的垂直孔，摩擦头6旋入垂直孔中并向下伸出头部。
当在摩擦头6上作用一法向载荷N时，卧式弯曲梁7发生应变变形，而立式弯曲梁2则保持不变，如图3所示。当在摩擦头6上作用一横向摩擦力F时，F引起立式弯曲梁2发生应变变形，而卧式弯曲梁7则保持不变，如图4所示。依据力的叠加原理可知，在摩擦力和载荷同时作用下，测力传感器的悬臂能将载荷和摩擦力进行了有效分解：法向载荷仅使卧式弯曲梁7发生应变变形，摩擦力仅使立式弯曲梁2发生应变变形。利用电阻应变效应将载荷或摩擦力引起的相应弯曲梁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。另外，从图3中可以观察到，在法向载荷和摩擦力同时作用下，悬臂前端5没有发生任何偏转，仅作平行位移，这就说明只需改变摩擦头类型就可进行不同接触方式的测量。
在本发明的一个实施例中，立式弯曲梁2由长40mm、宽8mm、厚0.26mm的两平行弹性体组成，两平行弹性体间距2mm；卧式弯曲梁7由长30mm、宽为8mm、厚0.1mm的两平行弹性体组成，两平行弹性体间距2mm。连接立式弯曲梁2和卧式弯曲梁7的正方体连接块3的边长为8mm。只需改变摩擦头类型就可进行点、线、面不同接触方式的微摩擦测试，同时能保证足够的测量精度。

Claims (1)

1、一种二维微力测量传感器，其特征在于采用弹性体悬臂结构，相互垂直放置的立式弯曲梁(2)和卧式弯曲梁(7)分别由两平行弹性体组成，正方体连接块(3)位于立式弯曲梁(2)和卧式弯曲梁(7)之间，并在弯曲梁的长度方向上连接立式弯曲梁(2)和卧式弯曲梁(7)，组成悬臂主体结构，立式弯曲梁(2)另一端连接固定板(1)形成固定约束，卧式弯曲梁(7)另一端则形成悬臂自由端；四片应变片(4)对称粘贴于卧式弯曲梁(7)任意一片的正反面，组成全桥电路，位置紧靠连接块(3)；另有四片应变片(8)对称粘贴于立式弯曲梁(2)任意一片的正反面，同样组成全桥电路，位置紧靠固定板(1)；悬臂前端(5)连接卧式弯曲梁(7)的自由端，悬臂前端(5)中间开带内螺纹的垂直孔，摩擦头(6)旋入垂直孔中并向下伸出头部。
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