一種基于雙端固定式石英音叉的二維測力裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種液相物質軸向力及剪切力的測量裝置，具體涉及一種基于雙 端固定式石英音叉的二維測力裝置。
【背景技術】
[0002] 在機械傳動中，如滾動軸承流體潤滑劑對隔離摩擦副、降低磨損、延長機械壽命起 到重要作用。而隨著機械設備的精密化、高速化發展，對其工作環境和條件要求日益嚴苛， 機構中的潤滑膜厚度不斷降低，而潤滑性能要求則日益提高。潤滑劑工作中的軸向力和剪 切力變化情況，可以反映潤滑劑的潤滑效果，因此軸向力及剪切力的測量是研究潤滑劑薄 膜性能的重要手段。
[0003] 石英音叉作為石英晶體諧振器，是一種應用較為廣泛的微力測量傳感器，特別作 為液相介質參數測量傳感器和微納米表面形貌測量探頭。然而目前常用的石英音叉傳感器 多為單端固定式，即一端用底座固定，另一端采用開放式設計。在過去的應用中，石英音叉 單獨使用時，可以獲得較高的Q值，從而獲得較高的靈敏度。然而，如進行二維力測量，需要 在開放端耦合其他結構，則其動態平衡將被打破，使得系統Q值降低。為了提高Q值，則需要 在設計中加入較為笨重的隔離系統。 【實用新型內容】
[0004] 針對現有技術存在的不足，本實用新型目的是提供一種基于雙端固定式石英音叉 的二維測力裝置，能夠實現液相物質軸向力及剪切力的二維力測量，可以獲得較高的Q值， 從而獲得較高的靈敏度。
[0005] 為了實現上述目的，本實用新型是通過如下的技術方案來實現：
[0006] 本實用新型的一種基于雙端固定式石英音叉的二維測力裝置，包括支架、嵌入支 架中的石英音叉、振動發生器、測量探針、多普勒振動測試儀、位于測量探針下方用于放置 待測潤滑劑薄膜的壓電微動實驗臺、用作激勵源的第一正弦信號發生器及第二正弦信號發 生器、輸入端接第二石英音叉電極的信號調理電路、第一鎖相放大器及第二鎖相放大器、與 第一鎖相放大器及第二鎖相放大器輸出端相連接的數據采集模塊和與數據采集模塊輸出 端相連接的計算機;石英音叉的一端固定在支架上，另一端與振動發生器的背面相連接，所 述振動發生器的正面與測量探針相連接;石英音叉包括用于驅動石英音叉振動的第一音叉 臂和用于采集石英音叉輸出信號的第二音叉臂，所述第一音叉臂和第二音叉臂分別連接第 一石英音叉電極和第二石英音叉電極;多普勒振動測試儀的輸出端與第二鎖相放大器輸入 端相接;所述第一正弦信號發生器的第一輸出端接第一石英音叉電極，第一正弦信號發生 器的第二輸出端接第一鎖相放大器;所述第二正弦信號發生器的第一輸出端接振動發生 器，第二正弦信號發生器的第二輸出端接第二鎖相放大器。
[0007] 上述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均為8mm X 0.2mm X 0.2mm，所述測量探針的 針頭直徑為100μπι。
[0008] 上述振動發生器具體采用的是壓電陶瓷，所述壓電陶瓷的尺寸為2mmX2mmX2mm。
[0009] 上述第一正弦信號發生器及第二正弦信號發生器均采用的是雙通道函數信號發 生器 AFG3022B。
[0010]上述第一鎖相放大器及第二鎖相放大器均采用的是AD630芯片。
[0011]上述數據采集模塊采用的是PCI-6229DAQ數據采集卡。
[0012]上述壓電微動實驗臺與測量探針之間的初始距離為0.5-0.8cm。
[0013] 本實用新型采用雙端固定式石英音叉作為傳感器，音叉一端與剪切力測量用探針 相連接，能夠實現軸向力和剪切力同時測量，同時可以獲得較高的系統Q值，進而提高測量 靈敏度，簡化測力裝置結構；另外，本實用新型采用的雙端固定式音叉嵌入支架的結構，提 高了音叉的剛度和穩定性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型的一種基于雙端固定式石英音叉的二維測力裝置結構示意圖；
[0015] 圖2為圖1中的音叉-支架裝配圖；
[0016] 圖3為圖2的A-A剖視圖；
[0017] 圖中各標號:支架1、石英音叉2、振動發生器3、測量探針4、多普勒振動測試儀5、壓 電微動實驗臺6、第一正弦信號發生器7、第二正弦信號發生器8、信號調理電路9、第一鎖相 放大器10、第二鎖相放大器11、數據采集模塊12、計算機13、待測潤滑劑薄膜14、沉孔15。
【具體實施方式】
[0018] 為使本實用新型實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面 結合【具體實施方式】，進一步闡述本實用新型。
[0019] 參見圖1，本實用新型的一種基于雙端固定式石英音叉2的二維測力裝置包括機械 系統及電路系統兩個主要部分。其中，機械系統包括雙端固定式的石英音叉2及其支架，振 動發生器3(具體采用的是壓電陶瓷)及測量探針4(具體采用的是金屬探針）、多普勒振動測 試儀5以及壓電微動實驗臺6。電路系統包括第一正弦信號發生器7、第二正弦信號發生器8、 信號調理電路9、第一鎖相放大器10、第二鎖相放大器11、數據采集模塊12和計算機13。
[0020] 石英音叉2作為敏感元件，在交變電流的作用下，音叉臂在水平方向振動，帶動測 量探針4上下振動，用于軸向力測量，其上端固定于支架上，下端與振動發生器3背面相粘 接，振動發生器3正面與測量探針4相連。由于音叉測力是利用石英晶體的壓電效應，因此雙 端固定式的石英音叉2上端接入兩電極。兩電極中的第一電極接入第一正弦信號發生器7， 第二電極接入信號調理電路9,做傳感器輸出信號。
[0021 ]第一正弦信號發生器7用作激勵源，一方面對石英音叉2進行驅動，另一方面作為 參考信號輸入第一鎖相放大器10。
[0022] 信號調理電路9實現傳感器輸出信號的I/V轉換以及放大。
[0023] 第一鎖相放大器10用于比較傳感器輸出信號與參考信號的相位變化，并將相位變 化轉換為電壓，并通過數據采集模塊12傳送至計算機13。以上構成軸向力測量系統。
[0024] 振動發生器3與測量探針4用于剪切力測量。
[0025]第二正弦信號發生器8用作激勵源，一方面驅動振動發生器3在水平方向振動，另 一方面作為參考信號輸入第二鎖相放大器11。
[0026] 多普勒振動測試儀5其激光束瞄準金屬探針，反射光頻率隨著金屬探針振動速度 發生偏移，經過光電轉換，轉換為電信號。
[0027] 第二鎖相放大器11用于比較多普勒振動測試儀5輸出信號與參考信號的相位、振 幅變化，并通過數據采集模塊12傳送至計算機13。以上構成剪切力測量系統。
[0028] 計算機13的作用是讀取傳感器測量信息，進行分析計算，同時驅動壓電微動實驗 臺6〇
[0029] 壓電微動實驗臺6用于放置待測潤滑劑薄膜14,利用壓