[实用新型]一种基于表面摩擦的多物理量检测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种可实现动摩擦系数、表面粗糙度和硬度复合传感的多物理量检测装置。

背景技术

目前，随着智能精密加工技术的迅猛发展，所加工零件的表面质量和精度愈来愈高。在进行零件的检验和筛选时，判断所加工零件的表面力学性能参数是否能满足使用要求显得至关重要。在单一表面物理量的检测方面，国内外现有的理论和技术基本上能够满足使用要求。设计能够实现表面多物理量检测的传感器是国内外科学工作者所关心的重点问题。

目前已有相关研究机构为获得物体表面的多个物理量，对传感器的机理和结构进行了探索和设计。瑞典隆德大学利用摩擦振动原理，根据摩擦产生的振动信号的频率属性以自组织映射无监督方法实现了表面纹理和硬度的检测。南加利福尼亚大学通过在机器人手上配置加速度传感器，记录敲击产生的信号来识别未知表面的硬度、弹性、刚度，以此分类物体,分类正确率达85％。通标标准技术服务有限公司(上海)等利用接触摩擦振动信号探索出反映纤维类型的方法。Jessica DacleuNdengue等人实现了通过摩擦振动参数实现了分辨具有相似木纹的不同材料。Zhu Nan-nan等使用650nm,1310nm和1550nm波长的激光利用多波长光纤传感器实现了较高准确度的表面粗糙度和表面散射特征的检测。Sriram Sundar等利用滚滑接触产生的摩擦振动实现了机械系统的摩擦系数的估计。最后，原子力显微镜(AFM)作为一种综合性测量工具，能实现表面粗糙度，弹性模量等诸多物理量的检测。但是AFM检测速度慢，受探头的影响太大，且只能检测纳米级别粗糙度的表面，不能作为常规检测手段。

发明内容

本实用新型提供一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，用于实现动摩擦系数、表面粗糙度和硬度检测的多物理量检测，并且动摩擦系数和表面粗糙度可相互验证，提高了检测准确性。

本实用新型采取的技术方案是：高频梁、同步耦合梁和低频梁的根部与支撑定位结构相连，低频梁内侧和与同步耦合梁相连，高频梁内侧亦与同步耦合梁相连，所述低频梁采用悬臂梁或双端固支梁结构，压电拾振结构包括高频梁压电拾振结构和低频梁压电拾振结构，所述高频梁压电拾振结构和低频梁压电拾振结构分别与高频梁和低频梁的上方固定连接；当低频梁采用悬臂梁时，摩擦块固定于低频梁的自由端并与被测表面形成摩擦副，当低频梁采用双端固支梁时，摩擦块固定于低频梁的中部并与被测表面形成摩擦副；压电激振结构固定于支撑定位结构的闭合端的外侧，纵向压电大位移驱动结构的一端固定于压电激振结构的外侧，另一端与L型支撑结构连接，横向压电大位移驱动结构一端通过L型支撑结构固定于纵向压电大位移驱动结构的右侧，另一端与底座固定连接，高频梁和低频梁自由端的下表面分别沉积有电极一、电极三，与支撑定位结构的表面电极二、电极四分别组成电容拾振结构一、电容拾振结构二。

所述高频梁、同步耦合梁、低频梁共同组成同步共振结构，根据同步共振原理，当低频梁固有频率为ω₁，高频梁固有频率为ω₂，其固有频率满足如下公式：

mω₁＝nω₂

其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，所述低频梁、高频梁均为矩形梁。

所述摩擦块为绕中心轴转动的环形摩擦块。

所述摩擦块沿着环形圆周表面，有不同的表面粗糙度以匹配被测表面的粗糙度等级。

所述高频梁压电拾振结构与低频梁压电拾振结构的结构相同。

所述高频梁压电拾振结构的结构是：压电层上部和下部分别连接压电层上电极和压电层下电极。

所述压电激振结构的结构是：压电层上部和下部分别连接压电层上电极和压电层下电极。

本实用新型的有益效果：将同步共振物理原理应用于谐振式悬臂梁传感结构进行动摩擦系数检测，可实现频率倍增，提高检测装置的灵敏度；将摩擦振动原理应用于表面粗糙度和硬度检测，将表面粗糙度信息和硬度信息转化为摩擦振动信号，可大幅简化检测装置结构和提高检测装置的传感效率；将摩擦块设计为可绕中心轴转动的环形摩擦块。并且沿着环形圆周表面，该摩擦块具有不同的表面粗糙度，从而与被测表面的表面粗糙度等级进行匹配，可以大幅度扩大该装置的表面粗糙度量程；该装置进行摩擦系数检测时，利用低频梁进行摩擦系数传感，高频梁进行检测，实现了传感和检测分离，降低了噪声影响。