[發(fā)明專利]一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置及檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711051852.3
• 申請日: 2017-10-29
• 公開（公告）號: CN107576610B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王東方;夏操;杜旭;江傲俊;田利峰;鄭果文;劉思明;萬勝來;楊旭;劉欣;殷志富;王昕
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02;G01B7/34;G01N3/40
• 代理公司: 吉林長春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：高頻梁、同步耦合梁和低頻梁的根部與支撐定位結(jié)構(gòu)相連，低頻梁內(nèi)側(cè)與同步耦合梁相連，高頻梁內(nèi)側(cè)亦與同步耦合梁相連，所述低頻梁采用懸臂梁或雙端固支梁結(jié)構(gòu)，壓電拾振結(jié)構(gòu)包括高頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)和低頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)，所述高頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)和低頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)分別與高頻梁和低頻梁的上方固定連接；當(dāng)?shù)皖l梁采用懸臂梁時，摩擦塊固定于低頻梁的自由端并與被測表面形成摩擦副，當(dāng)?shù)皖l梁采用雙端固支梁時，摩擦塊固定于低頻梁的中部并與被測表面形成摩擦副；壓電激振結(jié)構(gòu)固定于支撐定位結(jié)構(gòu)的閉合端的外側(cè)，縱向壓電大位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)的一端固定于壓電激振結(jié)構(gòu)的外側(cè)，另一端與L型支撐結(jié)構(gòu)連接，橫向壓電大位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)一端通過L型支撐結(jié)構(gòu)固定于縱向壓電大位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)的右側(cè)，另一端與底座固定連接，高頻梁和低頻梁自由端的下表面分別沉積有電極一、電極三，與支撐定位結(jié)構(gòu)的表面電極二、電極四分別組成電容拾振結(jié)構(gòu)一、電容拾振結(jié)構(gòu)二。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：所述高頻梁、同步耦合梁、低頻梁共同組成同步共振結(jié)構(gòu)，根據(jù)同步共振原理，當(dāng)?shù)皖l梁固有頻率為ω₁，高頻梁固有頻率為ω₂，其固有頻率滿足如下公式：

mω₁＝nω₂

其中，m、n均為整數(shù)，m/n即為頻率的放大倍數(shù)，所述低頻梁、高頻梁均為矩形梁。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：所述摩擦塊為繞中心軸轉(zhuǎn)動的環(huán)形摩擦塊。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：所述摩擦塊沿著環(huán)形圓周表面，有不同的表面粗糙度以匹配被測表面的粗糙度等級。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：所述高頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)與低頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：所述高頻梁壓電拾振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是：壓電層上部和下部分別連接壓電層上電極和壓電層下電極。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置，其特征在于：所述壓電激振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是：壓電層上部和下部分別連接壓電層上電極和壓電層下電極。

8.采用如權(quán)利要求1所述的一種采用基于表面摩擦的多物理量檢測裝置的檢測方法，其特征在于：包括動摩擦系數(shù)的檢測方法和表面粗糙度和硬度的檢測方法，其中：

(一)、動摩擦系數(shù)的檢測方法按以下步驟進(jìn)行：

(1)將該裝置的固定端與驅(qū)動裝置相連接，使整個裝置移動至被測表面上方并使其凸臺定位結(jié)構(gòu)與被測表面接觸，由于凸臺定位結(jié)構(gòu)的底部低于摩擦塊的底部，摩擦塊將以一定的壓力壓緊被測表面；

(2)掃頻激勵壓電激振結(jié)構(gòu)，在某激振頻率下，趨近于低頻梁的一階固有頻率，低頻梁、高頻梁均產(chǎn)生振幅倍增，并發(fā)生同步共振，此時，根據(jù)同步共振原理，低頻梁的諧振頻率在摩擦力作用下發(fā)生偏移，高頻梁的諧振頻率偏移量發(fā)生兩倍倍增；

△ω₂＝ω'₂-ω₂＝2(ω'₁-ω₁)

其中ω₁和ω₁′分別為低頻梁在摩擦力作用前后的諧振頻率，ω₂和ω′₂分別為高頻梁在摩擦力作用前后的諧振頻率，△ω₂為高頻梁諧振頻率的偏移量；

(3)根據(jù)低頻梁的諧振頻率偏移量可求得摩擦力的大小，因而可以由低頻梁的頻率偏移量確定動摩擦系數(shù)，公式如下：

f_d＝μF_N

其中L是低頻梁的長度，φ₁(x_F)和ξ₁分別是低頻梁在x_F處的一階固有模態(tài)和阻尼比，且φ₁(x_F)1，x_F是正壓力F_N相對于固定端的距離，M₁和A₁分別是低頻梁的廣義質(zhì)量和模態(tài)振幅，f_d和μ分別是摩擦力和動摩擦系數(shù)；

(4)由于同步共振，高頻梁的諧振頻率的偏移量相對于低頻梁會發(fā)生兩倍倍增，從而可以建立動摩擦系數(shù)和高頻梁的諧振頻率偏移量的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(5)拾取此時高頻梁的壓電拾振結(jié)構(gòu)和電容拾振結(jié)構(gòu)相疊加的交變電信號確定摩擦力作用下高頻梁的諧振頻率ω₂′，實現(xiàn)動摩擦系數(shù)檢測；

(二)、表面粗糙度和硬度的檢測方法按以下步驟進(jìn)行：

(1)將該裝置的固定端與驅(qū)動裝置相連接，使整個裝置移動至被測表面上方并使其凸臺定位結(jié)構(gòu)與被測表面接觸，由于凸臺定位結(jié)構(gòu)的底部低于摩擦塊的底部，摩擦塊將以一定的壓力壓緊被測表面；

(2)驅(qū)動縱向壓電大位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)做勻速直線運動，環(huán)形摩擦塊與被測表面產(chǎn)生相對運動，發(fā)生摩擦振動現(xiàn)象；拾取低頻梁上的壓電拾振結(jié)構(gòu)和電容拾振結(jié)構(gòu)相疊加的交變電信號；

(3)根據(jù)電信號的頻率和幅值，粗略估計被測表面的表面粗糙度等級；

(4)驅(qū)動橫向壓電大位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)做勻速直線運動，從而帶動環(huán)形摩擦塊轉(zhuǎn)動，使形成摩擦副的環(huán)形摩擦塊的表面與被測表面具有相同或相近表面粗糙度等級，實現(xiàn)粗糙度等級匹配；

(5)驅(qū)動縱向壓電大位移驅(qū)動結(jié)構(gòu)，拾取低頻梁上壓電拾振結(jié)構(gòu)和電容拾振結(jié)構(gòu)相疊加交變電信號；

(6)基于該交變電信號的幅值和頻率分別實現(xiàn)表面粗糙度幅值和周期的檢測；

(7)基于該交變電信號的頻率屬性以自組織映射無監(jiān)督方法可實現(xiàn)硬度檢測。