一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种液相物质轴向力及剪切力的测量装置，具体涉及一种基于双 端固定式石英音叉的二维测力装置。
【背景技术】
[0002] 在机械传动中，如滚动轴承流体润滑剂对隔离摩擦副、降低磨损、延长机械寿命起 到重要作用。而随着机械设备的精密化、高速化发展，对其工作环境和条件要求日益严苛， 机构中的润滑膜厚度不断降低，而润滑性能要求则日益提高。润滑剂工作中的轴向力和剪 切力变化情况，可以反映润滑剂的润滑效果，因此轴向力及剪切力的测量是研究润滑剂薄 膜性能的重要手段。
[0003] 石英音叉作为石英晶体谐振器，是一种应用较为广泛的微力测量传感器，特别作 为液相介质参数测量传感器和微纳米表面形貌测量探头。然而目前常用的石英音叉传感器 多为单端固定式，即一端用底座固定，另一端采用开放式设计。在过去的应用中，石英音叉 单独使用时，可以获得较高的Q值，从而获得较高的灵敏度。然而，如进行二维力测量，需要 在开放端耦合其他结构，则其动态平衡将被打破，使得系统Q值降低。为了提高Q值，则需要 在设计中加入较为笨重的隔离系统。 【实用新型内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本实用新型目的是提供一种基于双端固定式石英音叉 的二维测力装置，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。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
[0006] 本实用新型的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;石英音叉的一端固定在支架上，另一端与振动发生器的背面相连接，所 述振动发生器的正面与测量探针相连接;石英音叉包括用于驱动石英音叉振动的第一音叉 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;多普勒振动测试仪的输出端与第二锁相放大器输入 端相接;所述第一正弦信号发生器的第一输出端接第一石英音叉电极，第一正弦信号发生 器的第二输出端接第一锁相放大器;所述第二正弦信号发生器的第一输出端接振动发生 器，第二正弦信号发生器的第二输出端接第二锁相放大器。
[0007] 上述第一音叉臂和第二音叉臂的尺寸均为8mm X 0.2mm X 0.2mm，所述测量探针的 针头直径为100μπι。
[0008] 上述振动发生器具体采用的是压电陶瓷，所述压电陶瓷的尺寸为2mmX2mmX2mm。
[0009] 上述第一正弦信号发生器及第二正弦信号发生器均采用的是双通道函数信号发 生器 AFG3022B。
[0010]上述第一锁相放大器及第二锁相放大器均采用的是AD630芯片。
[0011]上述数据采集模块采用的是PCI-6229DAQ数据采集卡。
[0012]上述压电微动实验台与测量探针之间的初始距离为0.5-0.8cm。
[0013] 本实用新型采用双端固定式石英音叉作为传感器，音叉一端与剪切力测量用探针 相连接，能够实现轴向力和剪切力同时测量，同时可以获得较高的系统Q值，进而提高测量 灵敏度，简化测力装置结构；另外，本实用新型采用的双端固定式音叉嵌入支架的结构，提 高了音叉的刚度和稳定性。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型的一种基于双端固定式石英音叉的二维测力装置结构示意图；
[0015] 图2为图1中的音叉-支架装配图；
[0016] 图3为图2的A-A剖视图；
[0017] 图中各标号:支架1、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、压 电微动实验台6、第一正弦信号发生器7、第二正弦信号发生器8、信号调理电路9、第一锁相 放大器10、第二锁相放大器11、数据采集模块12、计算机13、待测润滑剂薄膜14、沉孔15。
【具体实施方式】
[0018] 为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面 结合【具体实施方式】，进一步阐述本实用新型。
[0019] 参见图1，本实用新型的一种基于双端固定式石英音叉2的二维测力装置包括机械 系统及电路系统两个主要部分。其中，机械系统包括双端固定式的石英音叉2及其支架，振 动发生器3(具体采用的是压电陶瓷)及测量探针4(具体采用的是金属探针）、多普勒振动测 试仪5以及压电微动实验台6。电路系统包括第一正弦信号发生器7、第二正弦信号发生器8、 信号调理电路9、第一锁相放大器10、第二锁相放大器11、数据采集模块12和计算机13。
[0020] 石英音叉2作为敏感元件，在交变电流的作用下，音叉臂在水平方向振动，带动测 量探针4上下振动，用于轴向力测量，其上端固定于支架上，下端与振动发生器3背面相粘 接，振动发生器3正面与测量探针4相连。由于音叉测力是利用石英晶体的压电效应，因此双 端固定式的石英音叉2上端接入两电极。两电极中的第一电极接入第一正弦信号发生器7， 第二电极接入信号调理电路9,做传感器输出信号。
[0021 ]第一正弦信号发生器7用作激励源，一方面对石英音叉2进行驱动，另一方面作为 参考信号输入第一锁相放大器10。
[0022] 信号调理电路9实现传感器输出信号的I/V转换以及放大。
[0023] 第一锁相放大器10用于比较传感器输出信号与参考信号的相位变化，并将相位变 化转换为电压，并通过数据采集模块12传送至计算机13。以上构成轴向力测量系统。
[0024] 振动发生器3与测量探针4用于剪切力测量。
[0025]第二正弦信号发生器8用作激励源，一方面驱动振动发生器3在水平方向振动，另 一方面作为参考信号输入第二锁相放大器11。
[0026] 多普勒振动测试仪5其激光束瞄准金属探针，反射光频率随着金属探针振动速度 发生偏移，经过光电转换，转换为电信号。
[0027] 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，并通过数据采集模块12传送至计算机13。以上构成剪切力测量系统。
[0028] 计算机13的作用是读取传感器测量信息，进行分析计算，同时驱动压电微动实验 台6〇
[0029] 压电微动实验台6用于放置待测润滑剂薄膜14,利用压