本发明涉及一种可实现动摩擦系数、表面粗糙度和硬度复合传感的多物理量检测装置和检测方法。
背景技术：
目前，随着智能精密加工技术的迅猛发展，所加工零件的表面质量和精度愈来愈高。在进行零件的检验和筛选时，判断所加工零件的表面力学性能参数是否能满足使用要求显得至关重要。在单一表面物理量的检测方面，国内外现有的理论和技术基本上能够满足使用要求。设计能够实现表面多物理量检测的传感器是国内外科学工作者所关心的重点问题。
目前已有相关研究机构为获得物体表面的多个物理量，对传感器的机理和结构进行了探索和设计。瑞典隆德大学利用摩擦振动原理，根据摩擦产生的振动信号的频率属性以自组织映射无监督方法实现了表面纹理和硬度的检测。南加利福尼亚大学通过在机器人手上配置加速度传感器，记录敲击产生的信号来识别未知表面的硬度、弹性、刚度，以此分类物体,分类正确率达85％。通标标准技术服务有限公司(上海)等利用接触摩擦振动信号探索出反映纤维类型的方法。jessicadacleundengue等人实现了通过摩擦振动参数实现了分辨具有相似木纹的不同材料。zhunan-nan等使用650nm,1310nm和1550nm波长的激光利用多波长光纤传感器实现了较高准确度的表面粗糙度和表面散射特征的检测。sriramsundar等利用滚滑接触产生的摩擦振动实现了机械系统的摩擦系数的估计。最后，原子力显微镜(afm)作为一种综合性测量工具，能实现表面粗糙度，弹性模量等诸多物理量的检测。但是afm检测速度慢，受探头的影响太大，且只能检测纳米级别粗糙度的表面，不能作为常规检测手段。
技术实现要素：
本发明提供一种基于表面摩擦的多物理量检测装置及检测方法，用于实现动摩擦系数、表面粗糙度和硬度检测的多物理量检测，并且动摩擦系数和表面粗糙度可相互验证，提高了检测准确性。
本发明采取的技术方案是：高频梁、同步耦合梁和低频梁的根部与支撑定位结构相连，低频梁内侧和与同步耦合梁相连，高频梁内侧亦与同步耦合梁相连，所述低频梁采用悬臂梁或双端固支梁结构，压电拾振结构包括高频梁压电拾振结构和低频梁压电拾振结构，所述高频梁压电拾振结构和低频梁压电拾振结构分别与高频梁和低频梁的上方固定连接；当低频梁采用悬臂梁时，摩擦块固定于低频梁的自由端并与被测表面形成摩擦副，当低频梁采用双端固支梁时，摩擦块固定于低频梁的中部并与被测表面形成摩擦副；压电激振结构固定于支撑定位结构的闭合端的外侧，纵向压电大位移驱动结构的一端固定于压电激振结构的外侧，另一端与l型支撑结构连接，横向压电大位移驱动结构一端通过l型支撑结构固定于纵向压电大位移驱动结构的右侧，另一端与底座固定连接，高频梁和低频梁自由端的下表面分别沉积有电极一、电极三，与支撑定位结构的表面电极二、电极四分别组成电容拾振结构一、电容拾振结构二。
所述高频梁、同步耦合梁、低频梁共同组成同步共振结构，根据同步共振原理，当低频梁固有频率为ω1，高频梁固有频率为ω2，其固有频率满足如下公式：
mω1＝nω2
其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，所述低频梁、高频梁均为矩形梁。
所述摩擦块为绕中心轴转动的环形摩擦块。
所述摩擦块沿着环形圆周表面，有不同的表面粗糙度以匹配被测表面的粗糙度等级。
所述高频梁压电拾振结构与低频梁压电拾振结构的结构相同。
所述高频梁压电拾振结构的结构是：压电层上部和下部分别连接压电层上电极和压电层下电极。
所述压电激振结构的结构是：压电层上部和下部分别连接压电层上电极和压电层下电极。
一种基于表面摩擦的多物理量的检测方法，包括：
(一)、动摩擦系数的检测方法按以下步骤进行：
(1)将该装置的固定端与驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面上方并使其凸台定位结构与被测表面接触，由于凸台定位结构的底部低于摩擦块的底部，摩擦块将以一定的压力压紧被测表面；
(2)扫频激励压电激振结构，在某激振频率下，趋近于低频梁的一阶固有频率，低频梁、高频梁均产生振幅倍增，并发生同步共振，此时，根据同步共振原理，低频梁的谐振频率在摩擦力作用下发生偏移，高频梁的谐振频率偏移量发生两倍倍增；
△ω2＝ω'2-ω2＝2(ω'1-ω1)
其中ω1和ω1′分别为低频梁在摩擦力作用前后的谐振频率，ω2和ω′2分别为高频梁在摩擦力作用前后的谐振频率，△ω2为高频梁谐振频率的偏移量；
(3)根据低频梁的谐振频率偏移量可求得摩擦力的大小，因而可以由低频梁的频率偏移量确定动摩擦系数，公式如下：
fd＝μfn
其中l是低频梁的长度，
(4)由于同步共振，高频梁的谐振频率的偏移量相对于低频梁会发生两倍倍增，从而可以建立动摩擦系数和高频梁的谐振频率偏移量的数学关系：
(5)拾取此时高频梁的压电拾振结构和电容拾振结构相叠加的交变电信号确定摩擦力作用下高频梁的谐振频率ω2′，实现动摩擦系数检测；
(二)、表面粗糙度和硬度的检测方法按以下步骤进行：
(1)将该装置的固定端与驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面上方并使其凸台定位结构与被测表面接触，由于凸台定位结构的底部低于摩擦块的底部，摩擦块将以一定的压力压紧被测表面；
(2)驱动纵向压电大位移驱动结构做匀速直线运动，环形摩擦块与被测表面产生相对运动，发生摩擦振动现象；拾取低频梁上的压电拾振结构和电容拾振结构相叠加的交变电信号；
(3)根据电信号的频率和幅值，粗略估计被测表面的表面粗糙度等级；
(4)驱动横向压电大位移驱动结构做匀速直线运动，从而带动环形摩擦块转动，使形成摩擦副的环形摩擦块的表面与被测表面具有相同或相近表面粗糙度等级，实现粗糙度等级匹配；
(5)驱动纵向压电大位移驱动结构，拾取低频梁上压电拾振结构和电容拾振结构相叠加交变电信号；
(6)基于该交变电信号的幅值和频率分别实现表面粗糙度幅值和周期的检测；
(7)基于该交变电信号的频率属性以自组织映射无监督方法可实现硬度检测。
本发明的有益效果：将同步共振物理原理应用于谐振式悬臂梁传感结构进行动摩擦系数检测，可实现频率倍增，提高检测装置的灵敏度；将摩擦振动原理应用于表面粗糙度和硬度检测，将表面粗糙度信息和硬度信息转化为摩擦振动信号，可大幅简化检测装置结构和提高检测装置的传感效率；将摩擦块设计为可绕中心轴转动的环形摩擦块。并且沿着环形圆周表面，该摩擦块具有不同的表面粗糙度，从而与被测表面的表面粗糙度等级进行匹配，可以大幅度扩大该装置的表面粗糙度量程；该装置进行摩擦系数检测时，利用低频梁进行摩擦系数传感，高频梁进行检测，实现了传感和检测分离，降低了噪声影响。
本发明的适用检测范围取决于自身尺寸大小，具有很强的适用性，即可实现超精密表面的动摩擦系数、表面粗糙度和硬度检测，也可实现粗糙表面的动摩擦系数、表面粗糙度和硬度检测。采用凸台定位结构与被测表面接触并定位，可以减小该装置定位部分与被测表面的接触面积，减小额外摩擦带来的误差。表面粗糙度和动摩擦系数间具有正相关(在干摩擦情况下)或负相关(在湿摩擦情况下)关系，二者相互验证可提高检测准确性。
本发明将摩擦振动原理和同步共振原理应用于多物理量检测装置设计，利用较简单的结构，实现动摩擦系数、表面粗糙度和硬度的高精度检测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明同步共振结构及摩擦块的结构示意图；
图5是摩擦块的表面粗糙度分布图；
图6是本发明支撑定位结构的结构示意图；
图7是本发明l型支撑结构的结构示意图；
图8是本发明高频梁压电拾振结构的结构示意图；
图9是本发明压电激振结构的结构示意图；
图10是本发明凸台定位结构工作状态图，其中：被测表面14；
图11是本发明动摩擦系数检测方法流程图；
图12是本发明表面粗糙度和硬度检测方法流程图；
图13是低频梁为双端固支梁时的实施方案外观整体示意图；
图14是低频梁为双端固支梁时的正视图。
具体实施方式
高频梁2、同步耦合梁3和低频梁4的根部与支撑定位结构1相连，低频梁4内侧和与同步耦合梁3相连，高频梁2内侧亦与同步耦合梁3相连，所述低频梁4采用悬臂梁或双端固支梁结构，压电拾振结构6包括高频梁压电拾振结构601和低频梁压电拾振结构602，所述高频梁压电拾振结构601和低频梁压电拾振结构602分别与高频梁2和低频梁4的上方固定连接；当低频梁4采用悬臂梁时，摩擦块5固定于低频梁4的自由端并与被测表面14形成摩擦副，当低频梁4采用双端固支梁时，摩擦块5固定于低频梁4的中部并与被测表面14形成摩擦副；压电激振结构7固定于支撑定位结构1的闭合端的外侧，纵向压电大位移驱动结构8的一端固定于压电激振结构7的外侧，另一端与l型支撑结构9连接，横向压电大位移驱动结构10一端通过l型支撑结构9固定于纵向压电大位移驱动结构8的右侧，另一端与底座13固定连接，底座13用于连接其他装置并确定装置的空间位置，高频梁2和低频梁4自由端的下表面分别沉积有电极一1101、电极三1201，与支撑定位结构1的表面电极二1102、电极四1202分别组成电容拾振结构一11、电容拾振结构二12。
高频梁2、同步耦合梁3、低频梁4共同组成同步共振结构，根据同步共振原理，当低频梁固有频率为ω1，高频梁固有频率为ω2，其固有频率满足如下公式：
mω1＝nω2
其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，所述低频梁、高频梁均为矩形梁。
在进行摩擦系数检测前，梁结构存在一定的固有频率，可通过实验或计算来确定。在实施例中，假设低频梁4的一阶固有频率为ω1，高频梁2的一阶固有频率为ω2，低频梁4的固有频率与高频梁2的固有频率比为1:2，即ω2＝2ω1。
所述摩擦块5为绕中心轴501转动的环形摩擦块。
所述摩擦块沿着环形圆周表面，有不同的表面粗糙度以匹配被测表面14的粗糙度等级。
所述高频梁压电拾振结构601与低频梁压电拾振结构602的结构相同。
所述高频梁压电拾振结构601的结构是：压电层6011上部和下部分别连接压电层上电极6012和压电层下电极6013。
所述压电激振结构7的结构是：压电层702上部和下部分别连接压电层上电极701和压电层下电极703。
低频梁4和高频梁2上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层；同理，下表面通过氧化或其他工艺设计有下绝缘层。
进一步，所述高频梁和低频梁除了矩形梁结构亦可采用多种梁结构，如u型梁、t型梁、三角形梁等对称梁结构。
一种基于表面摩擦的多物理量的检测方法，包括：
(一)、动摩擦系数的检测方法按以下步骤进行：
(1)将该装置的固定端13与驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面14上方并使其凸台定位结构102与被测表面14接触，由于凸台定位结构102的底部低于摩擦块5的底部，摩擦块5将以一定的压力压紧被测表面14；
(2)扫频激励压电激振结构7，在某激振频率下，趋近于低频梁4的一阶固有频率，低频梁4、高频梁2均产生振幅倍增，并发生同步共振，此时，根据同步共振原理，低频梁的谐振频率在摩擦力作用下发生偏移，高频梁的谐振频率偏移量发生两倍倍增；
△ω2＝ω'2-ω2＝2(ω'1-ω1)
其中ω1和ω1′分别为低频梁在摩擦力作用前后的谐振频率，ω2和ω′2分别为高频梁2在摩擦力作用前后的谐振频率，△ω2为高频梁2谐振频率的偏移量；
(3)根据低频梁的谐振频率偏移量可求得摩擦力的大小，因而可以由低频梁的频率偏移量确定动摩擦系数，公式如下：
fd＝μfn
其中l是低频梁的长度。
(4)由于同步共振，高频梁2的谐振频率的偏移量相对于低频梁4会发生两倍倍增，从而可以建立动摩擦系数和高频梁2的谐振频率偏移量的数学关系：
(5)拾取此时高频梁的压电拾振结构601和电容拾振结构11相叠加的交变电信号确定摩擦力作用下高频梁2的谐振频率ω2′，实现动摩擦系数检测。
(二)、表面粗糙度和硬度的检测方法按以下步骤进行：
(1)将该装置的固定端13与某种驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面14上方并使其凸台定位结构102与被测表面14接触，由于凸台定位结构102的底部低于摩擦块5的底部，摩擦块5将以一定的压力压紧被测表面14；
(2)驱动纵向压电大位移驱动结构8做匀速直线运动，环形摩擦块5与被测表面14产生相对运动，发生摩擦振动现象；拾取低频梁4上的压电拾振结构602和电容拾振结构12相叠加的交变电信号；
(3)根据电信号的频率和幅值，粗略估计被测表面14的表面粗糙度等级；
(4)驱动横向压电大位移驱动结构10做匀速直线运动，从而带动环形摩擦块转动。使形成摩擦副的环形摩擦块5的表面与被测表面14具有相同或相近表面粗糙度等级，实现粗糙度等级匹配；
(5)驱动纵向压电大位移驱动结构8，拾取低频梁4上压电拾振结构602和电容拾振结构12相叠加交变电信号；
(6)基于该交变电信号的幅值和频率分别实现表面粗糙度幅值和周期的检测；
(7)基于该交变电信号的频率属性以自组织映射无监督方法可实现硬度检测。
所述压电拾振结构6可产生的电荷量可由如下公式表示：
其中，d31为横向压电常数，ep为压电层杨氏模量，zp为压电层至中性轴距离，l为压电结构长度，l为梁的长度we为单片压电结构宽度，ii为第i层材料对自身中性轴惯性矩，ai为第i层材料横截面积，q压电拾振结构输出电荷量；
压电拾振结构6的输出电压可由下式表示：
其中，vtotal为输出总电压，q为压电拾振结构的电荷量，c为压电拾振结构6的电容；
此外，在本实施例中电容拾振结构的电容量可由如下公式表示：
其中，ε为常数，s为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k是静电力常量。