[发明专利]微摩擦测试仪

说明书

技术领域

本发明属于两种介质间的摩擦力测量技术领域，涉及到微机械系统，具体涉及一种微摩擦测试仪。

背景技术

近年来,机械产品及零部件的微小型化已经发展成为一种全球化趋势，相对于传统机械而言,微机械中的摩擦磨损问题及其机理成为科研的热点之一。微摩擦磨损的存在影响微系统中构件的运动平稳性,损耗系统工作能量,甚至影响整体微机械结构的性能和寿命。一方面,微机械不能从外部连续获得较大能量,而微构件间的摩擦阻力不仅影响其运动平稳性,还会损耗大量能量,因此在微机械设计中要尽量减小摩擦力,降低摩擦损耗,甚至实现零摩擦；另一方面,在一些特殊功能的微机械系统构件中,反而利用摩擦力作为牵引力或驱动力,此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以在线调整与实时控制。因此需要研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，测试两种不同介质之间的摩擦力的系统装置具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微摩擦测试仪，测试仪能够同时测量微小正压力和切向摩擦力，便于研究正压力和摩擦力的变化关系，分析摩擦系数。

本发明的技术方案是：一种微摩擦测试仪，包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，所述传感器包括圆环电容单元组和条状电容单元组，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。

微摩擦测试仪的传感器阵列上设置了一层柔性薄膜，柔性薄膜与水平工作台固定。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_平为平行板的长度，a_δ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a₀条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度r_圆和条状电容单元的宽度a₀相等；条状电容单元电极间距a_δ条和圆环电容单元电极间距a_δ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d₀为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与传感系统信号处理器连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与传感系统信号处理器连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别通过一根引出线与传感系统信号处理器连接。所述圆环电容单元、电容单元模块与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。所述传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级切换电路，前一级切换电路的输出为下一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。