一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置及其方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0006] 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F n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。
[0007] 上述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均为8mmX0· 2mmX0· 2mm ;测量探针 的针头直径为100 μπι;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 2mmX 2mmX 2mm〇
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] D.根据以下公式分别计算出轴向力FnW及水平方向的剪切力Fs:
[0016] 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Tl由以下 公式求得：
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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】
[0022] 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；
[0023] 图2为图1中的音叉-支架装配图；
[0024] 图3为图2的A-A剖视图；
[0025] 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】
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 振动发生器3与测量探针4用于剪切力测量。
[0033] 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。
[0034] 多普勒振动测试仪5其激光束目苗准金属探针，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。
[0035] 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。
[0036] 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6〇
[0037] 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