[發明專利]一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置及檢測方法

有效

• 申請號: 201711051852.3
• 申請日: 2017-10-29
• 公開（公告）號: CN107576610B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）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）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02;G01B7/34;G01N3/40
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

本發明涉及一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置及檢測方法，屬于多物理量檢測裝置和檢測方法。包括高頻梁、同步耦合梁、低頻梁、摩擦塊、支撐定位結構、壓電激振結構、橫向壓電大位移驅動結構、縱向壓電大位移驅動結構、L型支撐結構等。低頻梁的拾振結構拾取摩擦振動信號以檢測表面粗糙度和硬度。低頻梁與高頻梁、同步耦合梁共同組成同步共振結構，用于檢測動摩擦系數，并倍增輸出頻率以提高靈敏度。本發明利用較簡單的結構，實現動摩擦系數、表面粗糙度和硬度的檢測，在表面檢測和材料識別領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種可實現動摩擦系數、表面粗糙度和硬度復合傳感的多物理量檢測裝置和檢測方法。

背景技術

目前，隨著智能精密加工技術的迅猛發展，所加工零件的表面質量和精度愈來愈高。在進行零件的檢驗和篩選時，判斷所加工零件的表面力學性能參數是否能滿足使用要求顯得至關重要。在單一表面物理量的檢測方面，國內外現有的理論和技術基本上能夠滿足使用要求。設計能夠實現表面多物理量檢測的傳感器是國內外科學工作者所關心的重點問題。

目前已有相關研究機構為獲得物體表面的多個物理量，對傳感器的機理和結構進行了探索和設計。瑞典隆德大學利用摩擦振動原理，根據摩擦產生的振動信號的頻率屬性以自組織映射無監督方法實現了表面紋理和硬度的檢測。南加利福尼亞大學通過在機器人手上配置加速度傳感器，記錄敲擊產生的信號來識別未知表面的硬度、彈性、剛度，以此分類物體,分類正確率達85％。通標標準技術服務有限公司(上海)等利用接觸摩擦振動信號探索出反映纖維類型的方法。Jessica?DacleuNdengue等人實現了通過摩擦振動參數實現了分辨具有相似木紋的不同材料。Zhu?Nan-nan等使用650nm,1310nm和1550nm波長的激光利用多波長光纖傳感器實現了較高準確度的表面粗糙度和表面散射特征的檢測。SriramSundar等利用滾滑接觸產生的摩擦振動實現了機械系統的摩擦系數的估計。最后，原子力顯微鏡(AFM)作為一種綜合性測量工具，能實現表面粗糙度，彈性模量等諸多物理量的檢測。但是AFM檢測速度慢，受探頭的影響太大，且只能檢測納米級別粗糙度的表面，不能作為常規檢測手段。

發明內容

本發明提供一種基于表面摩擦的多物理量檢測裝置及檢測方法，用于實現動摩擦系數、表面粗糙度和硬度檢測的多物理量檢測，并且動摩擦系數和表面粗糙度可相互驗證，提高了檢測準確性。

本發明采取的技術方案是：高頻梁、同步耦合梁和低頻梁的根部與支撐定位結構相連，低頻梁內側和與同步耦合梁相連，高頻梁內側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構，壓電拾振結構包括高頻梁壓電拾振結構和低頻梁壓電拾振結構，所述高頻梁壓電拾振結構和低頻梁壓電拾振結構分別與高頻梁和低頻梁的上方固定連接；當低頻梁采用懸臂梁時，摩擦塊固定于低頻梁的自由端并與被測表面形成摩擦副，當低頻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；壓電激振結構固定于支撐定位結構的閉合端的外側，縱向壓電大位移驅動結構的一端固定于壓電激振結構的外側，另一端與L型支撐結構連接，橫向壓電大位移驅動結構一端通過L型支撐結構固定于縱向壓電大位移驅動結構的右側，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，與支撐定位結構的表面電極二、電極四分別組成電容拾振結構一、電容拾振結構二。

所述高頻梁、同步耦合梁、低頻梁共同組成同步共振結構，根據同步共振原理，當低頻梁固有頻率為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，m/n即為頻率的放大倍數，所述低頻梁、高頻梁均為矩形梁。

所述摩擦塊為繞中心軸轉動的環形摩擦塊。

所述摩擦塊沿著環形圓周表面，有不同的表面粗糙度以匹配被測表面的粗糙度等級。

所述高頻梁壓電拾振結構與低頻梁壓電拾振結構的結構相同。