电效应驱动压电位移驱动 器调整实验台高度。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
[0030] 双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度。
[0031 ] 本实施例中，石英音叉2臂尺寸为8mm X 0.2mm X 0.2mm。测量探针4的针头直径为 100μπι，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，用于米集第一锁相放大器10和第二锁相放大器11的输出信号。
[0032] 本实用新型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。
[0033] 本实用新型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。
[0034] 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。
[0035]二维测力装置的测量方法如下：
[0036] 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;
[0037] 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；
[0038] 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；
[0039] D.根据以下公式分别计算出轴向力Fn&及水平方向的剪切力Fs:
[0042]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II可由以下公式求得：
[0044]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。
[0045]以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 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实用新型范围内。本实用新型 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(5)、位于测量探 针(4)下方用于放置待测润滑剂薄膜(14)的压电微动实验台（6)、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的信号调理电路(9)、 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)； 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)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，第一正弦信号发生器(7)的第二输出 端接第一锁相放大器（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)， 第二正弦信号发生器(8)的第二输出端接第二锁相放大器(11)。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8_X0.2mmX0.2mm，所述测量探针(4)的针头直径为 100μL?ο3. 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 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2_X2_X2mm。4. 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。5. 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 第一锁相放大器(10)及第二锁相放大器(11)均采用的是AD630芯片。6. 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 数据采集模块(12)采用的是PCI-6229DAQ数据采集卡。7. 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 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。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置，包括支架、嵌入支架中的石英音叉、振动发生器、测量探针、多普勒振动测试仪、位于测量探针下方用于放置待测润滑剂薄膜的压电微动实验台、用作激励源的第一正弦信号发生器及第二正弦信号发生器、输入端接第二石英音叉电极的信号调理电路、第一锁相放大器及第二锁相放大器、与第一锁相放大器及第二锁相放大器输出端相连接的数据采集模块和与数据采集模块输出端相连接的计算机。本实用新型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】CN205120281
【申请号】CN201520908761
【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3月30日
【申请日】2015年11月13日