[發(fā)明專利]微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置

在審

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• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN104990867A
• 公開（公告）日: 2015-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王蒙;劉珊;樊勻;張婷婷;李驍頡
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于兩種介質(zhì)間的摩擦力測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及到微機械系統(tǒng)，具體涉及一種微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置。

背景技術(shù)

近年來,機械產(chǎn)品及零部件的微小型化已經(jīng)發(fā)展成為一種全球化趨勢，相對于傳統(tǒng)機械而言,微機械中的摩擦磨損問題及其機理成為科研的熱點之一。微摩擦磨損的存在影響微系統(tǒng)中構(gòu)件的運動平穩(wěn)性,損耗系統(tǒng)工作能量,甚至影響整體微機械結(jié)構(gòu)的性能和壽命。一方面,微機械不能從外部連續(xù)獲得較大能量,而微構(gòu)件間的摩擦阻力不僅影響其運動平穩(wěn)性,還會損耗大量能量,因此在微機械設(shè)計中要盡量減小摩擦力,降低摩擦損耗,甚至實現(xiàn)零摩擦；另一方面,在一些特殊功能的微機械系統(tǒng)構(gòu)件中,反而利用摩擦力作為牽引力或驅(qū)動力,此時則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值而且可以在線調(diào)整與實時控制。因此需要研究微觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題，測試兩種不同介質(zhì)之間的摩擦力的系統(tǒng)裝置具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置，測試裝置能夠同時測量微小正壓力和切向摩擦力，便于研究正壓力和摩擦力的變化關(guān)系，分析摩擦系數(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置，包括法向載荷加載裝置，水平工作臺、傳感器和傳感系統(tǒng)信號處理器，傳感器組成陣列均勻布置在水平工作臺上，法向載荷加載裝置向水平工作臺上的被測樣品施加法向作用力，水平工作臺作直線運動，傳感器采集法向作用力和水平摩擦力信號并傳送給傳感系統(tǒng)信號處理器，所述傳感器包括X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動電極和下極板的感應(yīng)電極，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。

微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置的傳感器陣列上設(shè)置了一層柔性薄膜，柔性薄膜與水平工作臺固定。所述每個條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于感應(yīng)電極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別預(yù)留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驅(qū)＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驅(qū)為條狀電容單元的驅(qū)動電極長度，b_0感為條狀電容單元的感應(yīng)電極長度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，τ_max為最大應(yīng)力值。所述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極沿寬度方向設(shè)有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方向相反。所述梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個以上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應(yīng)連接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設(shè)有電極間距a_δ。所述平行板面積S＝M(a₀+a_δ)b₀，其中，M為條狀電容單元數(shù)量，b₀為條狀電容單元的長度，a₀條狀電容單元的寬度。所述電容單元模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯(lián)或者獨立連接到傳感系統(tǒng)信號處理器。所述條狀電容單元的寬度其中，d₀為彈性介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述傳感系統(tǒng)信號處理器和電容單元模塊之間設(shè)有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數(shù)。

本發(fā)明有如下積極效果：本發(fā)明的微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置，可以準(zhǔn)確獲取兩種不同介質(zhì)之間的摩擦力，滿足微機械涉及過程中，對零構(gòu)件零摩擦或者具有穩(wěn)定數(shù)值的摩擦力的要求，對研究微觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題具有重要意義。另一方面，本發(fā)明的電容壓力傳感器，有效使用平板面積，并且通過差動等方法有效解決三維力間耦合，并利用特殊的條狀電容結(jié)構(gòu)，使法向與切向轉(zhuǎn)換都達到較高的線性、精度與靈敏度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的具體實施方式的條狀電容單元及其坐標(biāo)系。

圖2是本發(fā)明的具體實施方式的條狀電容單元示意圖。

圖3是本發(fā)明的具體實施方式的條狀電容單元右向偏移示意圖。

圖4是本發(fā)明的具體實施方式的條狀電容單元左向偏移示意圖。