微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特點(diǎn)在于其測(cè)量裝置包括布置在一同高度上的激光器、反射棱鏡、平面反射鏡、位置探測(cè)器和激光位移傳感器，且激光器和平面反射器相對(duì)于反射棱鏡呈90度角設(shè)置，位置探測(cè)器與平面反射器位于同一軸線(xiàn)上，激光位移傳感器設(shè)于反射棱鏡的下方；所述彈性敏感元件嵌裝于載物臺(tái)上，下試件安裝于彈性敏感元件上；反射棱鏡安裝于彈性敏感元件下部用于輸出彈性敏感元件的形變信息。該裝置能夠滿(mǎn)足高速條件下，微小器件摩擦學(xué)性能的研究。正壓力與摩擦力的測(cè)量均采用非接觸方式，保證加載與摩擦力測(cè)量的精度，更通過(guò)光路對(duì)試件偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行放大，提高分辨率。另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)摩擦磨損、潤(rùn)滑【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于測(cè)試微觀(guān)尺寸上相對(duì)滑移表面在各種潤(rùn)滑方式(包括材料表面微觀(guān)改性、固體薄膜潤(rùn)滑、分子超薄膜潤(rùn)滑、氣相潤(rùn)滑、液體潤(rùn)滑等)下的摩擦學(xué)性能的微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代近表面測(cè)試技術(shù)和儀器的發(fā)展，提供了在原子、分子尺度上觀(guān)察表面現(xiàn)象及其變化的有效手段，使得微觀(guān)摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究成為可能。與宏觀(guān)摩擦儀器不同的是微觀(guān)測(cè)試儀器需要滿(mǎn)足:直接或者間接測(cè)量正壓力和摩擦力的大??；能對(duì)正壓力和摩擦力進(jìn)行標(biāo)定；力的測(cè)量達(dá)到納牛級(jí)精度，范圍從納牛到毫牛。隨著微觀(guān)摩擦的不斷深入一些成熟的微觀(guān)儀器(SFA、STM、AFM)已不能滿(mǎn)足研究的需要，并且MEMS器件實(shí)際的摩擦形式也對(duì)傳統(tǒng)的微摩擦儀器提出了挑戰(zhàn)，因此最近幾十年，很多研究者根據(jù)自身學(xué)科的需要設(shè)計(jì)并制作了不同的微摩擦測(cè)試儀器。但這些摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)都是不同的研究者根據(jù)自己學(xué)科特征所設(shè)計(jì)的，因此不能適用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合。無(wú)論哪種摩擦方式都針對(duì)低速條件下的MEMS器件摩擦性能進(jìn)行研究。隨著人們對(duì)微觀(guān)世界越來(lái)越深入的研究，高速M(fèi)EMS器件必將是未來(lái)發(fā)展的主要方向，顯然低速的摩擦試驗(yàn)機(jī)已不能夠完全滿(mǎn)足研究需要，因此有必要對(duì)高速運(yùn)動(dòng)中的MEMS器件設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)其摩擦性能進(jìn)行研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述微觀(guān)摩擦測(cè)試儀器的技術(shù)現(xiàn)狀，提供一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，能夠測(cè)量相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的微小表面間摩擦系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同潤(rùn)滑方式下，相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的微觀(guān)表面間面與面摩擦的摩擦學(xué)性能測(cè)試。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，包括底板、上試件、下試件、立柱、夾具、載物臺(tái)、一維移動(dòng)平臺(tái)、二維移動(dòng)平臺(tái)和高速直流電機(jī)；所述立柱安裝于底板上，一維移動(dòng)平臺(tái)由夾具活動(dòng)連接于立柱上，且能夠相對(duì)于立柱上下移動(dòng)；二維移動(dòng)平臺(tái)固連于底板上，載物臺(tái)安裝于二維移動(dòng)平臺(tái)上；高速直流電機(jī)由夾具支承，對(duì)應(yīng)載物臺(tái)的中心設(shè)置，上試件安裝于高速直流電機(jī)的電機(jī)軸輸出端；還包括能夠測(cè)量試件在高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的微觀(guān)摩擦磨損性能的測(cè)量裝置；所述測(cè)量裝置包括布置在一同高度上的激光器、反射棱鏡、平面反射鏡、位置探測(cè)器和激光位移傳感器，且激光器和平面反射器相對(duì)于反射棱鏡呈90度角設(shè)置，位置探測(cè)器與平面反射器位于同一軸線(xiàn)上，激光位移傳感器設(shè)于反射棱鏡的下方；所述激光器用于向反射棱鏡發(fā)射光束，并由反射棱鏡反射給平面反射器，最終由位置探測(cè)器接收；所述彈性敏感元件嵌裝于載物臺(tái)上，下試件安裝于彈性敏感元件上，彈性敏感元件用于感應(yīng)試件高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的形變；反射棱鏡安裝于彈性敏感元件下部用于輸出彈性敏感元件的形變信息。
[0005]所述彈性敏感元件包括正方形薄片主體，以及設(shè)于薄片主體上的橫向敏感元件和縱向敏感元件；所述縱向敏感元件包括設(shè)于薄片主體四周且與薄片主體各邊平行的長(zhǎng)方形孔，能夠在試件高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的正壓力的作用下發(fā)生周向形變的扭臂梁II，以及位于四條長(zhǎng)方形孔中間的彈性板；扭臂梁II位于長(zhǎng)方形孔中，且沿長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)度設(shè)置，為一端相連另一端開(kāi)口的長(zhǎng)槽形，其一端為自由端，另一端為連接端，連接端的一邊與薄片主體連接，另一邊與彈性板連接；所述橫向敏感元件包括設(shè)于彈性板中心的圓形孔，以及能夠在試件高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦扭矩的作用下發(fā)生周向形變的扭臂梁I，扭臂梁I與圓形孔同軸設(shè)置；所述扭臂梁I為圓形，其邊緣周向間隔設(shè)置連筋以及扇形延伸邊，所述連筋與彈性板連接，扇形延伸邊與彈性板對(duì)應(yīng)設(shè)有限位槽和限位擋片。
[0006]所述平面反射鏡和位置探測(cè)器均設(shè)有支架，各支架與底板固定，并能能夠調(diào)節(jié)平面反射鏡和位置探測(cè)器的水平角度。
[0007]所述激光器與立柱活動(dòng)連接。
[0008]所述二維移動(dòng)平臺(tái)為手動(dòng)雙軸平移臺(tái)。
[0009]所述載物臺(tái)的中心設(shè)有能夠嵌裝彈性敏感元件的嵌裝槽。
[0010]所述高速直流電機(jī)設(shè)有能夠?qū)ζ滢D(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的電子調(diào)速器。
[0011]本發(fā)明設(shè)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，激光位移傳感器、電子調(diào)速器和位置探測(cè)器均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，通過(guò)一維移動(dòng)平臺(tái)與二維移動(dòng)平臺(tái)使上、下試件精確對(duì)準(zhǔn)并施加一定正壓力，采用高速直流電機(jī)使上、下試件間做高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足高速條件下，微小器件摩擦學(xué)性能的研究。正壓力與摩擦力的測(cè)量均采用非接觸方式，保證加載與摩擦力測(cè)量的精度，更通過(guò)光路對(duì)試件偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行放大，提高分辨率。另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]圖1是微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中，1.底板，2.手動(dòng)雙軸平移臺(tái)，3.載物臺(tái)，4.上試件，5.下試件，6.彈性敏感元件，6a.橫向彈性敏感元件,6b.縱向彈性敏感元件,7.立柱,8.夾具,9.一維移動(dòng)平臺(tái)，10.高速直流電機(jī)，11.激光器，12.激光位移傳感器，13.平面反射鏡，14.位置探測(cè)器，15.支架，16.反射棱鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1、2所示，該微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置的上試件4和下試件5(選用直徑為2mm的單晶硅圓柱和單晶硅片)組成一對(duì)摩擦副，上試件4安裝在高速直流電機(jī)10的輸出軸上，下試件5設(shè)于彈性敏感元件6的中心，反射棱鏡16安裝在彈性敏感元件6的下部，當(dāng)高速直流電機(jī)工作時(shí)，使上、下試件4、5之間產(chǎn)生摩擦，并對(duì)下試件5產(chǎn)生壓力(為了獲取不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)對(duì)下試件5的壓力)；此時(shí)彈性敏感元件6的橫向敏感元件6a和縱向敏感元件6b均會(huì)發(fā)生形變，并使其下方的反射棱鏡16產(chǎn)生水平方向的偏轉(zhuǎn)以及豎直方向上的位移，反射棱鏡16底面的高度變化被其下方的激光位移傳感器12檢測(cè)到，從而可以獲取試件5所承受的正向壓力的數(shù)據(jù)；由激光器11發(fā)出的光束照到反射棱鏡16上時(shí)，由于反射棱鏡16的水平偏轉(zhuǎn)，最終由平面反射鏡13反射到位置探測(cè)器14上光束也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的位移，從而可以通過(guò)光束位置信息獲取試件間的摩擦力的大小。
[0018]由此可以看出，微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置對(duì)載荷和摩擦力的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量彈性敏感元件6的形變位移并轉(zhuǎn)換得到，測(cè)試前需要對(duì)彈性敏感元件6的剛度進(jìn)行標(biāo)定。
[0019]在本發(fā)明的工作過(guò)程中,可以通過(guò)Creo Simulate軟件對(duì)縱向彈性敏感元件6進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析；利用HY-441數(shù)字轉(zhuǎn)速表標(biāo)定高速直流電機(jī)10轉(zhuǎn)速與PWM信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系曲線(xiàn)；選用的激光位移傳感器12為日本基恩士 LK-G30高速、高精度CCD激光位移傳感器12 ;使用美國(guó)TH0RLABS公司的Η)Ρ90Α位置探測(cè)器。以上這些技術(shù)和設(shè)備都是現(xiàn)有的，本發(fā)明中將不再進(jìn)行贅述。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，包括底板、上試件、下試件、立柱、夾具、載物臺(tái)、一維移動(dòng)平臺(tái)、二維移動(dòng)平臺(tái)和高速直流電機(jī)；所述立柱安裝于底板上，一維移動(dòng)平臺(tái)由夾具活動(dòng)連接于立柱上，且能夠相對(duì)于立柱上下移動(dòng)；二維移動(dòng)平臺(tái)固連于底板上，載物臺(tái)安裝于二維移動(dòng)平臺(tái)上；高速直流電機(jī)由夾具支承，對(duì)應(yīng)載物臺(tái)的中心設(shè)置，上試件安裝于高速直流電機(jī)的電機(jī)軸輸出端；其特征是，還包括能夠測(cè)量試件在高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的微觀(guān)摩擦磨損性能的測(cè)量裝置；所述測(cè)量裝置包括布置在一同高度上的激光器、反射棱鏡、平面反射鏡、位置探測(cè)器和激光位移傳感器，且激光器和平面反射器相對(duì)于反射棱鏡呈90度角設(shè)置，位置探測(cè)器與平面反射器位于同一軸線(xiàn)上，激光位移傳感器設(shè)于反射棱鏡的下方；所述激光器用于向反射棱鏡發(fā)射光束，并由反射棱鏡反射給平面反射器，最終由位置探測(cè)器接收；所述彈性敏感元件嵌裝于載物臺(tái)上，下試件安裝于彈性敏感元件上，彈性敏感元件用于感應(yīng)試件高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的形變；反射棱鏡安裝于彈性敏感元件下部用于輸出彈性敏感元件的形變信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，所述彈性敏感元件包括正方形薄片主體，以及設(shè)于薄片主體上的橫向敏感元件和縱向敏感元件；所述縱向敏感元件包括設(shè)于薄片主體四周且與薄片主體各邊平行的長(zhǎng)方形孔，能夠在試件高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的正壓力的作用下發(fā)生周向形變的扭臂梁II，以及位于四條長(zhǎng)方形孔中間的彈性板；扭臂梁II位于長(zhǎng)方形孔中，且沿長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)度設(shè)置，為一端相連另一端開(kāi)口的長(zhǎng)槽形，其一端為自由端，另一端為連接端，連接端的一邊與薄片主體連接，另一邊與彈性板連接；所述橫向敏感元件包括設(shè)于彈性板中心的圓形孔，以及能夠在試件高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦扭矩的作用下發(fā)生周向形變的扭臂梁I，扭臂梁I與圓形孔同軸設(shè)置；所述扭臂梁I為圓形，其邊緣周向間隔設(shè)置連筋以及扇形延伸邊，所述連筋與彈性板連接，扇形延伸邊與彈性板對(duì)應(yīng)設(shè)有限位槽和限位擋片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，所述平面反射鏡和位置探測(cè)器均設(shè)有支架，各支架與底板固定，并能能夠調(diào)節(jié)平面反射鏡和位置探測(cè)器的水平角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，所述激光器與立柱活動(dòng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，所述二維移動(dòng)平臺(tái)為手動(dòng)雙軸平移臺(tái)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，所述載物臺(tái)的中心設(shè)有能夠嵌裝彈性敏感元件的嵌裝槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，所述高速直流電機(jī)設(shè)有能夠?qū)ζ滢D(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的電子調(diào)速器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微觀(guān)摩擦磨損性能測(cè)試裝置，其特征是，還設(shè)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，激光位移傳感器、電子調(diào)速器和位置探測(cè)器均與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。
【文檔編號(hào)】G01N3/56GK104297089SQ201410544681
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】劉同岡, 吳健, 郭巖, 劉帥, 尹浩, 趙志強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)