润滑界面和频信号测量装置及测量摩擦化学性能的方法与流程

本发明涉及一种实验装置和方法，尤其涉及一种润滑界面条件下摩擦过程的和频信号在线测量装置以及测量润滑界面摩擦化学性能的方法。
背景技术：
：界面现象与自然界密切相关，界面研究与许多物理化学问题联系紧密，界面研究被运用在在材料科学、物理化学、分析化学、高分子化学、环境保护和石油化工等领域。润滑界面在摩擦过程中界面分子会发生化学变化，摩擦过程对于界面研究具有重要的意义。目前已经存在一些界面研究手段，如力学、光学、电化学方法，以及粒子散射、X射线衍射技术等，这些方法大多需要在真空条件下进行，而且需要改变样品表面状态，力学方法如表面张力、接触角测量，虽然能够了解气液界面和固液界面的宏观性质，但是得不到它们的微观分子信息。以上的实验技术受到各种不同条件的制约，而和频振动光谱作为非线性光学方法，具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性，利于分析测量信号得到界面分子信息。和频振动光谱可以通过对光强、相位、偏振的测量给出分子在界面的取向、界面分子密度、分子振动峰模式归属以及动力学等方面的信息。但和频信号十分微弱，需要设计一种实验装置，用于测量润滑界面条件下摩擦过程的和频信号。技术实现要素：有鉴于此，确有必要提供一种测量动态系统中和频信号的装置以及测量润滑界面摩擦化学性能的方法。一种润滑界面和频信号测量装置，其包括：一棱镜架位移调节机构、一棱镜架、一棱镜以及一可动球。所述棱镜架设置于所述棱镜架位移调节机构，所述棱镜设置于所述棱镜架，所述可动球可以旋转或摆动。所述棱镜架位移调节机构可以调整所述棱镜架的高度以及该棱镜架与水平面的平行度，进而调整所述棱镜的高度以及该棱镜与水平面的平行度，使所述棱镜与所述可动球相接触，所述可动球与所述棱镜构成一对摩擦副。一种测量摩擦化学性能的方法，其包括以下步骤：提供一润滑界面和频信号测量装置，该润滑界面和频信号测量装置中球与棱镜形成一对摩擦副；和频系统的两束光中的一束光从棱镜的侧面垂直入射，另一束光以一定的角度从棱镜的侧面入射，经折射后会聚于棱镜和球的接触点，从而产生和频光；所述和频光经所述棱镜的另一个侧面折射，相对于该侧面的偏折角度在0度～10度之内，该和频光后续反射镜反射后进入单色仪，用于分析摩擦过程中产生的化学变化。与现有技术相比较，本发明提供的润滑界面和频信号测量装置实现了摩擦过程中球与棱镜的精密接触；棱镜的使用既提供了固定界面，又避免了入射和出射光线大角度地偏移还保证了入射光在界面处的全反射，增强了光的能量从而增强和频信号；实现了摩擦过程中和频信号的在线测量。另外，本发明采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性，利于分析测量信号得到界面分子信息。附图说明图1是本发明实施方式提供的润滑界面和频信号测量装置的立体结构示意图。图2是本发明实施方式提供的润滑界面和频信号测量装置的俯视图。图3是本发明实施方式提供的润滑界面和频信号测量装置的侧视图。图4是本发明实施方式一提供的棱镜的立体结构的示意图。图5是本发明实施方式二提供的棱镜的立体结构的示意图。图6是本发明实施方式一提供的测量润滑界面和频信号的实验原理图。图7是本发明实施方式二提供的测量润滑界面和频信号的实验原理图。主要元件符号说明滑界面和频信号的测量装置1棱镜架位移调节机构10棱镜架11棱镜12垂直位移调节平台13竖向固定杆架14橫向固定杆架15棱镜架水平位移调节单元16高度调节旋钮17可动球18显微镜19润滑剂20支撑杆111支撑板112第一竖向固定杆架141第二竖向固定杆架142第一平台161第二平台162旋钮163锁紧装置151如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的润滑界面和频信号测量装置作进一步的详细说明。润滑界面和频信号测量装置包括棱镜架位移调节机构、棱镜架、棱镜以及可动球。所述棱镜设置于所述棱镜架，所述棱镜架设置于所述棱镜架位移调节机构，该棱镜架位移调节机构可以调整所述棱镜架的高度以及该棱镜架与水平面的平行度，进而调整所述棱镜的高度以及该棱镜与水平面的平行度，使所述棱镜与所述可动球相接触。润滑界面和频信号测量装置的具体结构请参阅图1至图3，润滑界面和频信号测量装置1包括：棱镜架位移调节机构10、棱镜架11、棱镜12以及可动球。所述棱镜架位移调节机构10包括垂直位移调节平台13、竖向固定杆架14、橫向固定杆架15、棱镜架水平位移调节单元16以及高度调节旋钮17（图未示）。所述垂直位移调节平台13可以采用剪式升降台，手动带动该垂直位移调节平台13升降，当然也可以是其他形式的升降台，只要能实现该垂直位移调节平台13升降即可。所述竖向固定杆架14包括第一竖向固定杆架141和第二竖向固定杆架142。所述棱镜架水平位移调节单元16包括第一平台161、第二平台162以及穿设于所述第一平台161并与所述第二平台162接触的多个旋钮163。所述第一平台161通过第一竖向固定杆架141设置于所述垂直位移调节平台13，所述第二平台162设置于穿设于所述第一平台161的多个旋钮163。所述第二竖向固定杆架142固定于所述第二平台162。所述高度调节旋钮17设置于所述第二竖向固定杆架142，可以调整所述竖向固定杆架14的高度。所述橫向固定杆架15通过锁紧装置151设置于所述竖向固定杆架14的第二竖向固定杆架142，并通过该锁紧装置151可以调整所述橫向固定杆架15在所述第二竖向固定杆架142的位置，也就是说可以调整所述橫向固定杆架15的高度。所述棱镜架11包括两个支撑杆111以及两个支撑板112，该两个支撑板112分别固定在所述两个支撑杆111，且该两个支撑板112的侧面相对设置，用于夹持所述棱镜12。两个支撑杆111设置于所述橫向固定杆架15，并且在该橫向固定杆架15上的位置可以调整，所以，通过该棱镜架11可以夹持大小不同的棱镜12。所述可动球由一个支撑装置支撑（图未示），具体的该可动球可以设置在三个陶瓷轴承上，由该三个陶瓷轴承支撑，且该可动球一端连接到连接轴，该连接轴连接到传动轴，该传动轴通过联轴器连接到电机。在所述电机的驱动下，所述可动球可以旋转或摆动。通过调整所述垂直位移调节平台13、高度调节旋钮17或所述锁紧装置151均可以调节所述棱镜12的高度，实现所述棱镜12与所述可动球的接触。所述棱镜12通过所述两个支撑板112夹持，通过调整穿设于所述第一平台161的多个旋钮163中的某些旋钮163可以调整所述第二平台162与水平面的平行度，进而调节所述棱镜12的底面与水平面平行。通过控制所述润滑界面和频信号测量装置1可以实现所述可动球与所述棱镜12相接触，在电机转动后带动所述可动球旋转或摆动，可动球与所述棱镜12的下表面构成一对摩擦副。所述棱镜12是自行设计加工的六面体石英棱镜，本发明设计有两种棱镜，分别如图4和图5所示。图4和图5所示的棱镜具有六个表面，分别是相对设置的上表面和下表面，相对设置的第一侧面和第二侧面以及相对设置的第三侧面和第四侧面。请一并参阅图4，本发明实施方式一提供的棱镜的上表面和下表面平行，所述第一侧面和第二侧面分别垂直于所述上表面和下表面，所述第三侧面和第四侧面与所述下表面之间的夹角相同，均为63度。所述两个支撑板112分别与所述棱镜的第一侧面和第二侧面接触，将所述棱镜夹持其中。请一并参阅图5，本发明实施方式二提供的棱镜的上表面和下表面平行，所述第一侧面和第二侧面分别垂直于所述上表面和下表面，所述第三侧面与所述下表面之间的夹角为53度，所述第四侧面与所述下表面之间的夹角为59度。所述两个支撑板112分别与所述棱镜的第一侧面和第二侧面接触，将所述棱镜夹持其中。可以理解，所述润滑界面和频信号测量装置1可以进一步包括一显微镜19，该显微镜19方便观察光点的重合。本发明实施例还提供一种在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法。首先，提供一种如前所述的润滑界面和频信号测量装置1。请参阅图6和图7，以棱镜12和可动球18作为一对摩擦副，接触区添加有润滑剂20。请参阅图6，棱镜12的下表面平行于水平面放置，棱镜12和可动球18接触，然后启动电机，可动球18获得转速，可动球18和棱镜12之间产生摩擦。调节棱镜12和可动球18的位置，使棱镜12和可动球18正好位于红外光和可见光的会聚点。和频系统的可见光垂直所述棱镜12的第三侧面入射，红外光以一定角度从第三侧面入射，经该棱镜12的第三侧面折射后会聚于棱镜12和可动球18的接触点，同时两束光的光程差为0，保证时间上重叠。由此产生频率为两束光频率之和的和频光，此时和频光的出射角度大约为62度，在经过63度倾角的第四侧面时，光线的偏折角度为1度，能很好的在特定范围内接收到信号。之后经反射镜反射进入单色仪，用于实时分析摩擦过程中产生的化学变化。可以理解，通过调整红外光从所述第三侧面入射的入射角度以及所述和频光出射面与所述棱镜12的下表面之间的夹角，进而调节和频光的偏折角度在0度～10度之内即可，优选在0度～5度之内即可，更优选在0度～2度之内即可。光线的偏折角度不会太大，能很好的在特定范围内接收到信号。请参阅图7，棱镜12的下表面平行于水平面放置，棱镜12和可动球18接触，然后启动电机，可动球18获得转速，可动球18和棱镜12之间产生摩擦。调节棱镜12和可动球18的位置，使棱镜12和可动球18正好位于红外光和可见光的会聚点。和频系统的红外光垂直所述棱镜12的第四侧面入射，可见光以一定角度从第四侧面入射，经该棱镜12的第四侧面折射后会聚于棱镜12和可动球18的接触点，同时两束光的光程差为0，保证时间上重叠。由此产生频率为两束光频率之和的和频光，通过棱镜12的第四侧面垂直出射，之后经反射镜反射进入单色仪，用于实时分析摩擦过程中产生的化学变化。可以理解，通过调整可见光从所述第四侧面入射的入射角度以及所述和频光出射面与所述棱镜12的下表面之间的夹角，进而调节和频光的偏折角度在0度～10度之内即可，优选在0度～5度之内即可，更优选在0度～2度之内即可。光线的偏折角度不会太大，能很好的在特定范围内接收到信号。在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法的工作原理：润滑界面摩擦实验的化学性能表征，采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，测量和频振动光谱以分析摩擦过程中界面分子信息。当可动球18随着电机同轴转动，与棱镜12构成一对摩擦副，添加润滑剂20后形成润滑界面，根据测得的和频信号可以在线检测可动球18和棱镜12摩擦过程中润滑界面分子的变化。在线测量润滑界面摩擦化学性能的方法的工作原理：润滑界面摩擦实验的化学性能表征，采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，测量和频振动光谱以分析摩擦过程中界面分子信息。当可动球18随着电机同轴转动，与棱镜12构成一对摩擦副，添加润滑剂20后形成润滑界面，根据测得的和频信号可以在线检测可动球18和棱镜12摩擦过程中润滑界面分子的变化。本实施例提供的润滑界面和频信号测量装置可以实现：摩擦过程中球与棱镜的精密接触；自行设计的棱镜既提供了固定界面，又避免了入射和出射光线大角度地偏移还保证了入射光在界面处的全反射，增强了光的能量从而增强和频信号；实现了摩擦过程中和频信号的在线测量。本实施例采用和频振动光谱方法，以红外光和可见光为入射光，两束光在润滑界面处重叠产生和频信号，具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性，利于分析测量信号得到界面分子信息。另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。当前第1页1 2 3