滑动摩擦系数测量装置和滑动摩擦系数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及滑动摩擦系数测量装置和滑动摩擦系数测量方法。
【背景技术】
[0002] 在小尺度材料和结构的摩擦测量领域，常用的方法有表面力仪和扫描探针技术， 包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、摩擦力显微镜等。这些技术可以被用于测量表面微 观动态力学行为，适用于微摩擦、微划痕和纳米磨损等研究。但是，这些技术对试样和环境 的要求很高，涉及的设备价格昂贵，且不易操作，尤其是在测量中摩擦副的相对滑动频率较 低。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提 出一种滑动摩擦系数测量装置，所述滑动摩擦系数测量装置可以测量小尺度（微米、纳米） 摩擦副之间的滑动摩擦系数，尤其是高频振荡摩擦条件下的滑动摩擦系数。
[0004] 本发明还提出一种滑动摩擦系数测量方法。
[0005] 根据本发明第一方面实施例的滑动摩擦系数测量装置包括：第一位移平台和第 二位移平台，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的至少一个沿第一方向可移动地设 置；石英音叉，所述石英音叉设在所述第一位移平台上，所述石英音叉具有输入引线、输出 引线和音叉腿；激励信号源，所述激励信号源通过导线与所述输入引线相连，所述激励信号 源的激励频率为所述石英音叉的共振频率；用于测量所述石英音叉的振幅的音叉振动信号 检测器；悬臂梁，所述悬臂梁设在所述第二位移平台上，所述悬臂梁垂直于所述音叉腿的轴 向，所述音叉腿的端面与所述悬臂梁的自由端的第一表面相对，其中所述音叉腿的端面用 于设置滑动元件或者所述音叉腿的端面为滑动面，所述悬臂梁的自由端的第一表面用于设 置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的第一表面为摩擦面；和用于测量所述悬臂梁的自由 端的挠度的位移传感器。
[0006] 根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置可以用于测量小尺度（微米、纳米） 摩擦副之间的滑动摩擦系数，尤其是高频振荡摩擦条件下的滑动摩擦系数。
[0007] 另外，根据本发明上述实施例的滑动摩擦系数测量装置还可以具有如下附加的技 术特征：
[0008] 根据本发明的一个实施例，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的至少一个 沿上下方向可移动地设置，所述悬臂梁位于所述石英音叉的下方，其中所述音叉腿的下表 面用于设置滑动元件或者所述音叉腿的下表面为滑动面，所述悬臂梁的自由端的上表面用 于设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的上表面为摩擦面。
[0009] 根据本发明的一个实施例，所述第一位移平台和所述第二位移平台中的每一个沿 上下方向可移动地设置，所述第一位移平台的最小移动距离大于所述第二位移平台的最小 移动距离。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述音叉振动信号检测器为激光多普勒测速仪，所述 激光多普勒测速仪与所述音叉腿相对，所述音叉腿悬空。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述音叉振动信号检测器为示波器，所述示波器通过 导线与所述输出引线相连。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述位移传感器设在所述第二位移平台上。
[0013] 根据本发明第二方面实施例的滑动摩擦系数测量方法包括以下步骤:A)将石英 音叉的音叉腿的端面与悬臂梁的自由端的第一表面相对设置，且使所述悬臂梁垂直于所述 石英音叉的音叉腿的轴向以便所述石英音叉的振动方向平行于所述悬臂梁的轴向，其中在 所述石英音叉的音叉腿的端面上设置滑动元件或者所述石英音叉的音叉腿的端面为滑动 面，在所述悬臂梁的自由端的第一表面上设置摩擦元件或者所述悬臂梁的自由端的第一表 面为摩擦面；B)在所述石英音叉的共振频率处激励所述石英音叉；C)移动所述石英音叉 和所述悬臂梁中的至少一个，以便使所述石英音叉的音叉腿的端面和所述滑动元件的滑动 面中的一个与所述悬臂梁的自由端的第一表面和所述摩擦元件的摩擦面中的一个接触；D) 在所述步骤C)进行前和进行后分别测量所述石英音叉的音叉腿的振幅，在所述步骤C)进 行后测量所述悬臂梁的挠度，根据所述振幅和所述挠度计算所述滑动面与所述摩擦面的滑 动摩擦系数。
[0014] 根据本发明的一个实施例，在所述步骤D)中，按照下列公式计算所述滑动面与所 述摩擦而之间的麾擦力：
[0015]
[0016] 其中，Η为摩擦力，
为石英音叉的阻尼系数，k为石英音叉的刚度，Q为 石英音叉的品质因子，Ω为石英音叉的共振圆频率，R°为在所述步骤C)进行前所述振幅的 测量值，R为在所述步骤C)进行后所述振幅的测量值，
[0017] 按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面的正压力：
[0018] N=kδ
[0019] 其中，Ν为正压力，δ为所述挠度的测量值，
[0020] 按照下列公式计算所述滑动面与所述摩擦面的滑动摩擦系数：
[0021]
[0022] 其中，μ为滑动摩擦系数。
[0023] 根据本发明的一个实施例，在所述步骤Β)进行前，对所述石英音叉进行扫频操作 以便确定所述石英音叉的实际的共振频率值。
【附图说明】
[0024] 图1是根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置的结构示意图；
[0025] 图2是根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量方法的流程图；
[0026] 图3是根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置的测量结果的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考 附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0028] 下面参考附图描述根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10。如图1所示， 根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量装置10包括第一位移平台101、第二位移平台102、 石英音叉103、激励信号源104、用于测量石英音叉103的振幅的音叉振动信号检测器、悬臂 梁106和用于测量悬臂梁106的自由端的挠度的位移传感器（图中未示出）。
[0029] 第一位移平台101和第二位移平台102中的至少一个沿第一方向可移动地设置。 石英音叉103设在第一位移平台101上，石英音叉103具有输入引线1032、输出引线1033 和音叉腿1031。激励信号源104通过导线与该输入引线1032相连，激励信号源104的激励 频率为石英音叉103的共振频率。悬臂梁106设在第二位移平台102上，悬臂梁106垂直 于音叉腿1031的轴向，音叉腿1031的端面与悬臂梁106的自由端的第一表面相对。其中， 音叉腿1031的端面用于设置滑动元件或者音叉腿1031的端面为滑动面，悬臂梁106的自 由端的第一表面用于设置摩擦元件或者悬臂梁106的自由端的第一表面为摩擦面。
[0030] 下面参考图2描述根据本发明实施例的滑动摩擦系数测量方法。根据本发明实施 例的滑动摩擦系数测量方法包括以下步骤：
[0031] A)将石英音叉103的音叉腿1031的端面与悬臂梁106的自由端的第一表面相对 设置，且使悬臂梁106垂直于石英音叉103的音叉腿1031的轴向以便石英音叉103的振动 方向平行于悬臂梁106的轴向，其中在石英音叉103的音叉腿1031的端面上设置滑动元件 或者石英音叉103的音叉腿1031的端面为滑动面，在悬臂梁106的自由端的第一表面上设 置摩擦元件或者悬臂梁106的自由端的第一表面为摩擦面；
[0032] B)在石英音叉103的共振频率处激励石英音叉103 ;
[0033] C)移动石英音叉103和悬臂梁106中的至少一个，以便使石英音叉