4. IMPa，介质极化时相对介电常数ε γ = 2. 5。由于 介质的E和G远小于铜的弹性模量Effl= 103GPa，故电容器内部介质在应力状态下的变形远 大于极板的变形。
[0103] 2. 5电极引线设计
[0104] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故驱动电极只需共用同一个引出线。圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动 电极通过一个引出线与传感系统信号处理器连接，所述圆环电容单元组的每个圆环单独引 线与传感系统信号处理器连接，传感系统信号处理器根据每个圆环的输出值自由组合进行 计算，之后进行求平均得出切向力的大小和法向力大小，在精度要求不高的情况下，圆环电 容单元组可以只选择两个最优圆环引出2根引线，通过这两个圆环求出ClJPd n，从而得出切 向力的大小和法向力大小；X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组分别各自通过 一个引出线引出与传感系统信号处理器连接，用于计算切向力的方向。所述传感系统信号 处理器和电容单元之间设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。 整个电容组件共有至少7个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与底部外表面 能方便地与测量对象接触。
[0105] 本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设 计。在IOXlOmm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。在空间 力与传感器表面的接触中外力只有1个，对电容求和可得到法向F n的信息，即整个电极板 都对求匕做出贡献，同时又可获得F ,和F y的信息，从而完整描述一个三维力，按设计参数 可以提高一次转换的法向灵敏度和切向灵敏度和最大线性误差。
[0106] 电容式压力传感器按照矩阵式均匀的排列在水平工作台上，电容极板通过电路引 线与传感器系统信号处理器连接，传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D 变换电路和控制电路，为了节省A/D变换电路，用一路A/D变换电路完成多路压力传感器的 测量，多路信号高速切换电路和控制电路是系统的设计关键，切换速度影响到短暂的步行 过程中测试到的数据量。本发明设计的采集电路同时对256路传感器进行信号切换。来自 控制电路的控制系统经过本地整形后，分三级进行切换，第一级使用32个8路切换器并行 工作，输出32路信号，32路信号进入第二级切换器，采用4个8路切换器并行工作，得到4 路信号，这4路信号进入第三级切换器，得到1路信号，进入A/D变换电路。A/D变换电路在 变换过程中将数据读入计算机中暂存，所有数据读取完成后保存在计算机中。
[0107] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种微摩擦测试仪，其特征在于，包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传 感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平 工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和 水平摩擦力信号并发送给传感系统信号处理器，所述传感器包括圆环电容单元组和条状电 容单元组，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，圆环电容单元组包 括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容 单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方 向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由 两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上 极板的驱动电极和下极板的感应电极。2. 根据权利要求1所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述传感器阵列上设置了一层 柔性薄膜，柔性薄膜与水平工作台固定。3. 根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述每个圆环电容单元的感应 电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相 同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端 分别预留左差位和右差位S右，b0驱=b0感+δ右+ δ左，其中b0驱为条状电容单元的驱动 电极长度，Wig为条状电容单元的感应电极长度。4. 根据权利要求3所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述条状电容单元的左差位δ 左=右差位δ φ，且其中d。为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _ 为最大应力值。5. 根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述两组相互形成差动的电容 单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移 大小相同、方向相反。6. 根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述圆环电容单元组包括η个同 心圆环电容单元，其中其中，aT为平行板的长度，为圆环电容单元圆环的宽 度，a5 0为相邻两圆环电容单元之间的电极间距。7. 根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，X方向差动电容单元组和Y方向 差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，aT为平行 板的长度，a5 #为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a。条状电容单元的宽度。8. 根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述同心圆环电容单元的宽度r0和条状电容单元的宽度a。相等；条状电容单元电极间距a δ #和圆环电容单元电极间距a5 0相等，所述条状电容单元的宽度其中，d。为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏 模量，G为弹性介质的抗剪模量。9. 根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述圆环电容单元组和条状电 容单元组的驱动电极通过一个引出线与传感系统信号处理器连接，所述圆环电容单元组的 每个圆环电容单元的感应电极单独引线与传感系统信号处理器连接，所述X方向差动电容 单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别通过一根引出线与传感系 统信号处理器连接。10.根据权利要求2所述的微摩擦测试仪，其特征在于，所述圆环电容单元、电容单元 模块与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或 频率对电容的传输系数，所述传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换 电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级切换电路，前一级切换电路的输出为下一级 切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。
【专利摘要】本发明涉及一种微摩擦测试仪,包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，传感器包括圆环电容单元组和条状电容单元组，圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，条状电容单元组用于测量切向力的方向，本发明的微机械系统构件的微小摩擦力测试装置，可以准确获取两种不同介质之间的摩擦力，满足微机械设计过程中，对零构件零摩擦或者具有稳定数值的摩擦力的要求。
【IPC分类】G01N3/08, G01N19/02, G01L1/14
【公开号】CN105158152
【申请号】CN201510460798
【发明人】王军, 李小牛, 端黎明
【申请人】芜湖科创生产力促进中心有限责任公司
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月28日