高度。高度调整可实现单步及连续两种模式，连续调整高度变化速度为6nm/ sec〇
[0038] 双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度。
[0039] 本实施例中，石英音叉2臂尺寸为8mmX0. 2mmX0. 2mm。测量探针4的针头直径为 100 μ m，压电陶瓷的尺寸为2mmX 2mmX 2mm。第一正弦信号发生器7和第二正弦信号发生器 8用作激励源，均选用泰克公司的双通道函数信号发生器AFG3022B。第一锁相放大器10和 第二锁相放大器11均选用AD630芯片实现。数据采集模块12采用NI公司的PCI-6229DAQ 数据采集卡，用于采集第一锁相放大器10和第二锁相放大器11的输出信号。
[0040] 本发明利用的是音叉测力原理实现的。石英音叉2是利用石英晶体的压电效应而 制成的，工作时给石英音叉2施加合适的正弦交流电压信号，使石英音叉2处于近谐振状 态。当探针靠近被测液体润滑剂表面时，由于处于谐振状态的石英音叉臂对外力极为敏感， 探针表面原子团与液体表面原子团之间的作用力会使得音叉振动的幅值和相位发生变化。 通过测量其相位、幅值的变化即可测得液体和探针之间的作用力大小。
[0041] 本发明采用双端固定式石英音叉作为传感器，其特点是两个音叉臂两端均采用底 座固定，其两音叉臂的横向振动相位差为180°，因此分布于音叉臂两端基部的动态力时大 小相等方向相反的一力偶。此时一端与剪切力测量用探针相连接，探针的振动能量可忽略， 因此提高了系统Q值及灵敏度，简化了结构。
[0042] 参见图2和图3,双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度，其上设置沉 孔15,便于支架固定。
[0043] 二维测力装置的测量方法如下：
[0044] A.将待测润滑剂薄膜14置于压电微动实验台6,调整实验台高度至接近测量探针 4,其距离一般为0. 5-0. 8cm ;
[0045] B.开启电源，调整第一正弦信号发生器7和第二正弦信号发生器8的振动频率以 及幅值；
[0046] C.连续调整压电微动实验台6高度，使其以6nm/sec的速度接近测量探针4，同 时计算机13开始记录数据，此时记录的数据是分别为来自石英音叉2以及激光多普勒振动 测试仪5的振动幅值、相位变化信息；
[0047] D.根据以下公式分别计算出轴向力FnW及水平方向的剪切力Fs:
[0050] 其中，η是粘度系数，d为探针直径，h为探针尖端与底板的距离，S为探针与润滑 膜的接触面积，V为振动速度。而η可由以下公式求得：
[0052] 其中，α为输出振幅与参考振幅之比，δ为输出相位与参考相位之差。
[0053] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，其特征在于，包括支架（1)、嵌入支 架（1)中用于测量轴向力的石英音叉（2)、振动发生器（3)、测量探针（4)、多普勒振动测试 仪巧）、位于测量探针（4)下方的压电微动实验台化）、用作激励源的第一正弦信号发生器 (7)及第二正弦信号发生器（8)、输入端接第二石英音叉电极用于实现石英音叉输出信号 I/V转换及放大的信号调理电路巧）、第一锁相放大器（10)及第二锁相放大器（11)、与第一 锁相放大器（10)及第二锁相放大器（11)输出端相连接用于采集第一锁相放大器（10)及 第二锁相放大器（11)输出信号的数据采集模块（12)和与数据采集模块（12)输出端相连 接的计算机（13); 待测润滑剂薄膜（14)放置在所述压电微动实验台（6)上，所述压电微动实验台（6)通 过压电位移驱动器调整实验台高度； 所述石英音叉（2)的一端固定在支架（1)上，另一端与振动发生器（3)的背面相连接， 所述振动发生器（3)的正面与测量探针（4)相连接； 所述石英音叉（2)包括用于驱动石英音叉（2)振动的第一音叉臂和用于采集石英音叉 输出信号的第二音叉臂，所述第一音叉臂和第二音叉臂分别连接第一石英音叉电极和第二 石英音叉电极； 所述多普勒振动测试仪（5)其激光束瞄准测量探针（4)，反射光频率随着测量探针（4) 振动速度发生偏移，所述多普勒振动测试仪（5)检测该反射光，经过光电转换，转换为电压 信号输出，所述多普勒振动测试仪巧）的输出端与第二锁相放大器（11)输入端相接； 所述第一正弦信号发生器（7)的第一输出端接第一石英音叉电极用于对其进行驱动， 第一正弦信号发生器（7)的第二输出端将参考信号输入第一锁相放大器（10); 所述第二正弦信号发生器（8)的第一输出端接振动发生器（3)用于驱动其在水平方向 振动，第二正弦信号发生器（8)的第二输出端将参考信号输入第二锁相放大器（11); 所述第一锁相放大器（10)用于比较石英音叉输出信号与参考信号的相位、振幅变化， 并将其变化转换为电压； 所述第二锁相放大器（11)用于比较多普勒振动测试仪（5)输出信号与参考信号的相 位、振幅变化，并将其变化转换为电压； 所述计算机（13)对数据采集模块（12)采集的信息进行分析计算出轴向力F。^及水 平方向的剪切力Fs，同时驱动所述压电微动实验台化）W设定的速度接近测量探针（4)。2. 根据权利要求1所述的基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，其特征在于，所 述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均为8mmX0. 2mmX0. 2mm; 所述测量探针（4)的针头直径为100μπι; 所述振动发生器（3)具体采用的是压电陶瓷，所述压电陶瓷的尺寸为2mm X2mmX2mm。3. 根据权利要求1所述的基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，其特征在于，所 述第一正弦信号发生器（7)及第二正弦信号发生器（8)均采用的是双通道函数信号发生器 AFG3022B； 所述第一锁相放大器（10)及第二锁相放大器（11)均采用的是AD630忍片； 所述数据采集模块（12)采用的是PCI-6229DAQ数据采集卡。4. 根据权利要求1所述基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，其特征 在于，包括w下几个步骤： A. 将待测润滑剂薄膜（14)放置在压电微动实验台（6)上，调整所述压电微动实验台 (6)与测量探针（4)之间的距离为设定的初始距离； B. 开启电源，调整第一正弦信号发生器（7)和第二正弦信号发生器（8)的频率W及幅 值； C. 连续调整所述压电微动实验台（6)的高度，使其W设定的速度接近测量探针（4);同 时计算机（13)开始记录来自石英音叉（2)W及多普勒振动测试仪（5)的振动幅值、相位变 化信息； 化根据W下公式分别计算出轴向力F。^及水平方向的剪切力Fs:其中，η是粘度系数，d为测量探针直径，h为测量探针尖端与压电微动实验台化）台 面的距离，S为测量探针与待测润滑剂薄膜（14)的接触面积，V为振动速度； 而η由W下公式求得：(3) 其中，α为输出振幅与参考振幅之比，δ为输出相位与参考相位之差，ω为振动角频 率。5. 根据权利要求4所述基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，其特征 在于，步骤（Α)中，所述压电微动实验台（6)与测量探针（4)之间的初始距离为0. 5-0. 8cm。6. 根据权利要求4所述基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的测量方法，其特征 在于，步骤（C)中，所述压电微动实验台化）W6nm/sec的速度接近测量探针（4)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置及其方法，装置包括支架、石英音叉、振动发生器、测量探针、多普勒振动测试仪、压电微动实验台、第一正及第二正弦信号发生器、信号调理电路、第一及第二锁相放大器、数据采集模块和计算机；方法包括以下步骤：将待测样品放置在压电微动实验台上，调整压电微动实验台与测量探针的距离；调整第一及第二正弦信号发生器的振动频率以及幅值；连续调整压电微动实验台的高度，使其以设定的速度接近测量探针；计算机开始记录振动幅值、相位变化信息；然后计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS。本发明能够实现液相物质轴向力及剪切力的二维力测量，可以获得较高的Q值，从而获得较高的灵敏度。
【IPC分类】G01L1/16
【公开号】CN105318997
【申请号】CN201510781185
【发明人】刘卿卿, 苗国英
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年11月13日