（机械电子工程专业论文）微小摩擦力测试仪的研制与开发(1).pdf

摘要 摩擦现象与人类的生产和生活密切相关，自8 0 年代原子显微镜和摩 擦力显微镜问世以后，发现在原子、分子及纳米级尺度下宏观的摩擦规 律不再适用，摩擦学研究开始进入微观与宏观结合的新阶段，随着微电 子技术的飞速发展而兴起的微电子机械系统( m i cr oe l e c t r o n m e c h a n ic a ls y s t e m ，m e m s ) ，其零部件的几何尺寸目前一般在微米数量 级，他们之间的摩擦介于微观与宏观摩擦之问，称之为微小摩擦。对于 微小摩擦现象是否服从宏观摩擦定律，摩擦件的尺寸达到何种程度才能 进入微观摩擦的领域，这是当前从事m e m s 研究的人们所关心的问题。由 于受微小结构的条件限制，目前对其机理的研究还不够充分，尚不能对 上述问题做出明确解答而m e m s 的发展，迫切需要明确微小摩擦的机理， 因此微小摩擦的研究具有重要的现实意义。 本文提出了一种全新的微小摩擦测试仪器，同时具有精度高，成本 低，性能可靠等优点。在于化东老师的指导下，并查阅了大量的国内外 资料，作了以下工作： 微小摩擦力测试仪的总体设计。 微小摩擦力测试仪的应变测力传感器、测试电路及标定。 微小摩擦力测试仪的p w m 电机调速。 对微小摩擦力测试仪的 生能及测试数据进行分析 关键词：微小摩擦力测试仪m e m s 传感器 p w m a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no ff j i c c i o ni sg e tw e l lw i t hp e o p l e s1 i v ea n dp r o d u c t f r o mt h e19 8 0 s ，a t o m - m i c r o s c o p ea n df r i c t i o nm i c r o s c o p ec a m eo u t ，t h e nt 1 e s c i e n t i s t sf o u n dt h a tt h em a c r of r i c t i o nr e g u l a r i t yw a sn o ts u i t a b i ea tt h e d e g r e eo fa t o m ，m o k c u l a ra r l dn a n o t h i sh i n t st h a tf r i c t i o nr e s e a f c hh a s e n t e r e dan e ws t a 2 ei nw h i c hf i c t i o ni ss t u d i e di ns l l b m i c r o l e v e l w i t ht h em i c r oe l e c t r o n i c st e c h n o l 0 2 yd e v e l o p m e n t ，m em j c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l - s y s t e m( m e m s )h a s ar a p i d l y d e v e l o p e d ， w h o s e a p p a r a t u sg e o m e t r yd i m e n s i o na t 血el e v e lo fm i l l i m e t e r ，t h ef r i c t i o no ft h e m i sb e t w e e nm i c r oa n dm a c r o ，i ti sc a l i e dm i c r o f r i c t i o n n o wt h eu r e n t 口r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e di nm e m sr e s e a r c hi sw h e t h e rt h em a c r o f r i c t i o nt e 叠u l a r i t yi ss u i t a b l ef o rm i c r o f r i c t i o np h e n o m e n aa n dw h a td e 2 r e e i sm ed i m e n s i o no ff r i c t i o r ic o m d o n e n ti nt h a ta r e ao fm i c r o f - r i c t i o n b e c a u s e o ft h ed e v e l o p m e n to fm e m s ，t h ee x p l i c i tp r i n c i p l eo fm i c r of r i c t i o ni s n e e d e du r g e n t l y ，i th a sm a n yp r a c t i c a ln e e di nm i c r o f r i c t i o nr e s e 甜c h u n d e rt h eg u i d eo fp r o f e s s o rh u ad o n gy u ，il o o k e du pm a n ya b r o a d a n dn a t i v ee s s a y sa 1 1 dd i dm a n ve x p e r i m e m a t i o n ，an e wm i c r of r i c t i o n s u r v e y o r sa p p a r a t u sc a m eo u t ， i th a v em a n y甜v a n t a g e ss u c ha s h i g h m e a s u r ep r e c i s i o n ，c h e a p e rt h a no m e r sp r o d u c t s ，r e l i a b i “t y f h n c t i o n a n ds oo n t h e r ea r ef 0 u rc h a p t e r si nt h et h e s i s t h e 行r s tc h a 删 e ri sm i c r of r i c t i o n s u r v e y o r sa p p a r a t u s t o t a l i t yd e s i g n t h es e c o n di sm i c r of r i c t i o ns u r v e y o r s a p p a r a t u s t r a n s d u c e ra n de l e c t r o n i cp r o t e lt e s t 丁h et h i r di sm i c r of r i c t i o n s u r v e y o r sa p p a r a t u s p w me l e c t r o n i cm a c h i n e r yt e s t t h ef o r 【hi st e s t s t a t i s t i c s a n a l v s i s k e yw o r d s ： m i c r of r i c t i o ns u r v e y o r sa p p a r a t u sm e m ss e n s e r p w m 第一章绪论 1 1引言 摩擦、磨损和润滑是一个古老的课题，特别是工业革命以后，机器 的大量使用对其产生了迫切需求，使其研究和发展进入了一个新的阶段。 1 9 6 6年英国 的 h p e r e r j o s t 先生在其 著名的报告一”ar e p o r t o nt h e 、p r e s e n ta n d i n d u s tr y sn e e ds “中提 出了“摩擦学 ( t r i b o l o g y ) ”这一名j 词：“相互作用、相对运靖 动表面副的科学及有关 东 技术”，标志着该领域研 毒纂 究的系统化和革命化进霉t j t 展。摩擦学的一般定义 5 l 篆 是：“关于相对运动中相 ：! ! 互作用表面的科学、技 薹 术及有关的实践”。通常 型 也理解为包括摩擦、磨 损和润滑在内的一门跨 学科的科学“1 。 图1 1j o s t 报告中所表明的节约数值 在j o s t 报告中指出，英国由于较好地应用了摩擦学知识，每年可节 约不下五亿一千五百万英镑。这笔巨款是由图1 1 所示的各笔节约费用 所组成的。可见，摩擦学的研究对国民经济具有重要意义。据估计，全 世界大约有1 2 l 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨 损是机械设备失效的主要原因，大约有8 0 的损坏零件是由于各种形式 的磨损引起的，因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为节约 能源和原材、缩短维修时间的重要措施。同时，摩擦学对于提高产品质 量、延长机械设备的使用寿命和增强可靠性也有重要作用由于摩擦学 对工衣业生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视， 并得到日益广泛的应用。 由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析 和实验研究都较为困难，因而理论与实验室的相互促进和补充是摩擦学 研究的另一个特点。随着理论研究的日益深入和实验技术日益进步，目 前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观进入微观；由定性进入定量；由 静态进入动态：以及由单一学科角度的分析进入多学科的综合研究。 随着微电子技术渗透到机械工程的各个领域和机电一体化的发展， 极大地促进了机械向微小型化方向的快速发展20 世纪8 0 年代中后期 兴起的微型机电系统( m e m s ) ，是基于广泛的现代科学技术并作为整个微 纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新的科技领域，它将微型机构、 微驱动器、微电源、微传感器和控制电路等集成于一体，具有体积小、 能量低、集成度和智能化高等一系列优点，在生物、医学、环境控制、 航空航天、数字通信、传感技术等现代技术领域展现了巨大的应用发展 潜力“1 。 经过超精密制造的微型机电系统，由于尺寸的减小，摩擦副的间隙 常处于微纳米级，在运动过程中，受此尺寸效应的影响，表面粘着力、 摩擦力及表面张力等相对于传统机械中的体积力而言，表现得非常突出， 成为影响m e m s 性能、稳定性和使用寿命的关键因素。在这种条件下，宏 观摩擦学的理论已不适用，必须研究以界面上分子原子为分析对象的纳 米摩擦学特性。近年来m e m s 纳米摩擦学研究领域所获得的研究成果，不 仅促进和丰富了纳米摩擦学的基础研究内容，而且为设计开发性能完善、 运行稳定、适应多应变环境的m e m s 产品提供了重要技术依据。 摩擦现象与人类的生产和生活密切相关，自8 0 年代原子显微镜和摩 擦力显微镜问世以后，发现在原子、分子及纳米级尺度下宏观的摩擦规 律不再适用，摩擦学研究开始进入微观与宏观结合的新阶段，随着微电 子技术的飞速发展而兴起的微电子机械系统( m e m s ) ，其零部件的几何尺 寸目前一般在微米数量级，他们之间的摩擦介于微观与宏观摩擦之间， 称之为微小摩擦对于微小摩擦现象是否服从宏观摩擦定律，摩擦件的 尺寸达到何种程度才能进入微观摩擦的领域，这是当前从事m e m s 研究的 人们所急需解决的问题由于受微小结构的条件限制，目前对其机理的 研究还刚刚起步，尚不能对上述问题做出明确回答。而m e m s 的发展，迫 切需要明确微小摩擦的机理，因此微小摩擦的研究具有重要的现实意义。 1 2国内外研究的现状 2 0 世纪8 0 年代末期在国际上兴起了纳米摩擦学，它是在原子、分 子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。在它的研究过程中无 论是施加的载荷，还是研究对象的面积，甚至于相对滑动的速度都是纳 米量级的它从微观角度研究了摩擦的机理，旨在揭示摩擦界面的微观 结构和特性。但是，由于纳米摩擦学研究涉及到摩擦界面的微观动态过 程，在理论分析和实验研究上都存在很大困难。 现代近表面测试技术和仪器的发展，提供了在原子、分子尺度上观 察表面现象及其变化的有效手段，使得纳米摩擦学的实验研究成为可能。 可以说，纳米摩擦学是在纳米表面形貌和微小动态力测量技术发展的基 础上逐步完善的。 纳米摩擦学实验研究仪器主要是扫描探针显微镜( s c a n n l n gp r o b e m i c r os c o p e ，s p m ) ，它包括扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e li n g m ic r o s c o p e ，s t m ) ，原子力显微镜( at o m i cf o r c el i l i c r o s c o p e ，a f m ) 以及摩擦力显微镜( f r i c t i o nf o r c em i c r os c o p e ，f f m ) ，后者亦称为横 向力显微镜( 1 a t er a lf o r c em i c r o s c o p e ，l f m ) 。此外，还有专门研制 的实验仪器，例如，表面力仪( s u r f a c ef o r c ea p p a r a t u s ，s f a ) 、光干 涉纳米润滑膜测试仪、石英晶体微天平( q u a r t zc r y s t a lm i cr o b a l a n c e ， q c m ) 等等都得到广泛应用。近年来，还有一些新装置出现，例如点接触 显微镜( p o i n tc o n t a c tm i c r o s c o p e ，p c m ) 。这些仪器将随着试验测试 技术的进一步完善，更能如实地反映实际工况。 而宏观摩擦学研究对于降低机械设备的摩擦能耗，提高抗磨损寿命 和可靠性，以及推动机械向高参数工况发展起着重要作用，它已成为现 代机械设计和制造中的重要基础学科之一。因此宏观摩擦学研究仍然是 本学科发展的主流。然而，当h a r d y 揭示出了依靠j 闰滑油中的极性分子 与金属表面之问的物理化学作用而形成吸附膜的边界润滑状态。 t o m l is o n 从分子运动角度分析了固体表面在滑动中的能量转换和摩擦起 因。特别是当b o w d o n 和t a b o r 建立了以粘着效应为基础的摩擦磨损理论 后，人们越来越发觉宏观研究不能深入地揭示摩擦界面的微观结构和特 性，因而它所建立的理论往往具有很大的局限性 并且，由于当今固体摩擦理论不够完善，致使摩擦系数数值离散性很 大，在工程设计中难以预定其准确数值：此外，机械设备的噪声大都来 源于摩擦急剧变化引起的振动；还有，精密机械中的微动机构和定位装 置的爬行现象。这些都需要改善摩擦的品质来解决。 显然，宏观研究与微观研究相结合，丛将促进摩擦学更加完善。并 在机械设计和制造中对提高机构运动和加工精度有着重要的贡献。因此， 近十几年来中、美、日等国越来越关注这方面的研究，并先后有相应的 论文发表，如上海交通大学采用微型电机同时作驱动元件和测试元件通 过分析微电动机在施加正压力前后运动特性的改变的方法，间接地计算 出微小摩擦力的大小“1 ；南京航空航天大学的范炯等人研制的多功能摩 擦实验机“1 ；哈尔滨工业大学的邹继斌等人研制的微负荷摩擦测试系统 “1 ；日本京都市工业实验所研制的超微小摩擦力测试仪等。这些仪器测 量出了毫牛顿数量级下两种不同材质试件问的摩擦力。这对研究介于宏 观和微观摩擦学之间的摩擦现象，也十分具有理论意义和现实意义。 1 3本文研究的内容 摩擦直接关系到系统的可靠性、耐久性和能量的利用率，摩擦的研 究对微机电系统、微纳米加工技术的不断运用将产生深远的影响。然而， 摩擦的研究、分析采用的是实验研究的方法，目前没有合适的测试设备 对微小摩擦进行测量。本课题主要的研究内容就是研制出微小摩擦力测 试仪。要研制和开发出一种能够测量在微小接触面积和微小接触载荷( 毫 牛顿数量级) 作用下摩擦副问的摩擦力的装置。并通过实验得到在不同 介质环境中的摩擦状况和摩擦特性参数，为微机构的设计以及理解微机 构运动特性提供依据。特别是，也可以利用该测试仪模拟纳米加工过程， 并解释纳米加工过程中的特异现象。 微小摩擦力测试仪主要包括摩擦力加载系统、摩擦力测试系统、运 动控制以及显示系统。 第二章微小摩擦试验仪的总体设计 2 1微小摩擦技术的简介 微小摩擦力测量仪有别于纳米摩擦学的实验测试仪器。在纳米摩擦 学的实验测试仪器中无论其所施加的载荷还是所研究的材料的面积甚至 于相对滑动的速度都是采用纳米量级的它们研究的是原子、分子尺度 上摩擦界面的微观结构和特性。而这里要开发的微小摩擦力测量仪则是 在微小面积接触和微小载荷作用下测试摩擦力的一种仪器。它的载荷是 毫牛顿级，这与纳米量级来进行比较毫无疑问是相当大的，但相对于宏 观载荷来说又是相当小。并且，它的相对滑动速度就微观而言是相当高 的。在机械领域中这种条件下的摩擦是经常可以看见的，但在系统分析 中我们到底使用宏观的摩擦学理论还使用微观的理论呢? 这就需要我们 对这种条件下的摩擦来进行分类，并通过对该仪器的实验来找到与之相 适合的理论。 由滑动摩擦的宏观研究得出，固体摩擦遵循a m o n t o n s ( 阿蒙顿) 摩 擦公式，即摩擦力f 与载荷p 成正比，其比例常数u 为摩擦系数 f = up( 2 1 ) 在界面摩擦过程中，有 f = c l p 吖3 + c2 p + c p “3( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，c 。c ：，c ，分别为于粘着能w 、弹性常数k 、球体半径 r 等有关的函数。 由式( 2 2 ) 分析可知，在组成界面摩擦力的各项因素中，统称第三项 所占比例较小，可以忽略不计。当表面粘着强度较大时，第一项是界面摩 擦力的主要成分，此时可以近似地采用式中的第一项。而当外加载荷p 相 对较大时，界面摩擦力将以第二项为主，接近于描述常规摩擦的a m o n t o n s 公式( 2 1 ) 。 由以上可知，就本课题所开发的测试仪而言，由于外加载荷p 相对 较大，因此，从理论上来看与常规摩擦现象是相近的常规摩擦规律是否 还适用正是本课题要探讨的内容。 因为在实验中相对滑动的线速度是较低的，那么就会出现摩擦性能 6 不稳的情况，通过实验找到可使摩擦稳定的方法也就可以控制摩擦。如 果将两材质问加入润滑材料，还可为机构问选择润滑剂提供参考基础。 同时，在起制动时，通过对其静摩擦力的研究，为降低静摩擦减少起制 动能耗提供依据。 2 2微小摩擦实验仪的总体设计 在微小摩擦测量中，正压力和摩擦力均很小，给精确测量带来较大困 难。就微小正压力施力系统的设计而言，该系统必须具有很高的细分能 力，其次，微负荷的测量本身需要采取一些特殊的技术措施，目前主要 采用的有摆锤法“”、变形法与位移法“。“。其中，摆锤法以摆角的变 化测量摩擦力。但不适用于摩擦与磨损试验；变形法与位移法通常以读 数显微镜测量摩擦力，但读数又不方便。本丈设计了一种微负荷摩擦试 验系统，施力机构与测试系统合为一体，可同时测量正压力和摩擦力。 不但适用于摩擦系数的测量，而且可用来进行摩擦与磨损试验。 一设计中需要解决的技术难点和关键技术： 1 微小接触载荷的加载方法以及加载精度的保证； 2 摩擦力加载模块的机械结构小型化、载荷连续可调和操作简单的 实现： 3 运动部件的运动精度保证； 4 摩擦测头小体积、易更换的实现； 5 测量误差的分析和测试精度的保证； 二装置的组成及测量原理 微小摩擦测试仪的测量原理如图2 。1 所示。 微小摩擦测试仪的结构原理如图2 2 a 所示。 微小摩擦测试仪的整体照片图如图2 2 b 所示。 垂直调 图2 1 系统原理框图 平行捌力 捌摩摩 磁阻 图2 2 a 系统结构原理图 8 图2 ，2 b 测试仪的整体图 ( 1 )微小摩擦测力系统 该测力系统包括正压力争摩擦力测量两部分。测力系统由应变传感 器、测力臂、控制电路、显示仪表等组成。应变传感器与测力臂构成力 传感器。测力臂由两组平行板弹簧组成：前端水平安装的平行板弹簧用 来测量正压力，叫正压力平行扳弹簧；后端竖直安装的平行板弹簧用来 测量摩擦力，叫摩擦力平行板弹簧。如图2 3 所示 通过调整垂直进给装置的进给量，使正压力平行板弹簧发生形变。 进而产生正压力施加在摩擦头上，使摩擦头与旋转的转盘接触，发生摩 擦。通过测头将摩擦力传给摩擦力平行板弹簧，使其发生形变，由应变 传感器测得应变，进而得到摩擦力。应变传感器的原理是将传感器的机 械变形转换成传感元件的电阻变化，当测力梁受力变形时，固定在梁上的 传感元件( 应变片) 也随着变形。设传感元件( 应变片) 初始电阻为r ， 电阻变化量为r ，则电阻变化率与应变问的关系为： r r = k d s 或r = k o sr 式中：占为应变，k 。为传感元件的灵敏系数。 圈2 3 测力臂原理结构图 当k 。为常数时，电阻变化与应变呈线性关系。在本测试系统中，所 用应变传感器的灵敏系数约为2 o ，因此，可以近似的认为测力系统的 测力传感器是线性的。 在本测试系统中，所用传感器元件材料的灵敏系数约为2 0 ，非线性 误差小于0 1 ，横向灵敏度k 0 5 。由此可见，该传感器可实现高精度 测量，且只反映主应力，横向应力影响很小。为提高传感器的灵敏度，除选 用灵敏系数k 较大的传感元件外，还需合理设计测力臂的几何尺寸。该测 试系统传感器输出信号灵敏度为1 5 m v f n n ，基本不受外界环境影响，但温 度变化可导致其漂移，因此在测试电路中要有温度补偿电路。本测试系 统采用具有高精度和良好直流放大特性的i c l 7 6 5 0 运算放大器，经放大 后接显示仪表。 ( 2 ) 位置调整系统 位置调整系统由水平进给和垂直进给组成。进给系统采用了北京光 学仪器厂的精密位移台，型号为p t s l0 3 m 和t m s 2 0 2 。它们的进给精度 为5u m ，最小读数为1 0 m 。它可在一定范围内调节测头的x 、y 、z 方 向的位置，改变摩擦头在转盘上的位置。这样可以调节被测件触点的回 转半径，进而改变被测试件问的相对运动速度。今后，x 、y 、z 实现自 动控制，可以实现纳米级微小切削。 ( 3 )转动系统 转动系统包括转动装置、电机驱动系统。转动装置由转盘，主轴等组 成。驱动系统是驱动电机转动，通过皮带传动驱动转轴，使转盘转动， 通过测速系统测得转盘的转速调节电机的转速和调节被测试件触点的 回转半径，就可以改变被测试件间的相对运动速度。 第三章微小摩擦测力传感器 3 1微小摩擦测力传感器的结构及制作 测力传感器是由弹性体，应变计，放大电路以及各种补偿电路组成。 其原理图如图3 1 所示。 图3 1 测力传感器的原理组成 弹性体( 平行板弹簧) 是传感器的基础，应变计则是传感器的核心， 电桥( 变换电路) 是测量电路的重要的组成部分。 弹性体设计应根据它的量程，精度以及工作条件，安装尺寸等已知 条件考虑其结构形式，并对弹性体材料进行合理的选择，使弹性体具有： 较高的灵敏度和稳定性；在力作用点少许变化时以及存在侧向力时，对 传感器的输出的影响小；粘贴应变片的地方应尽量平些；弹性体的结构 最好能有相同的正负应变区，以便组成差动电桥增大输出并能改善其非 线性等等。 3 1 1 微小摩擦测力传感器的几个要点和难点 微小摩擦测力传感器的性能要求是灵敏度高、精度高、重复性好、测 试安装方便等。因此在传感器的设计过程中要解决以下关键问题： 如何在两运动副之间施加适当的正压力，该正压力既能使运动副 之间产生足够大的摩擦力，又不影响传感器的灵敏度。 如何方便的更换摩擦头 如何在施加正压力时，能准确、实时地测量出正压力( 毫牛级) 和 摩擦力 保证正压力和摩擦力不耦合 为保证测量精度和灵敏度，要解决系统防振、防止温漂、抗干扰等 问题。 3 1 2 微小摩擦测力传感器的结构设计 一微小摩擦测力传感器结构的确定 图3 2微小犀擦测力传感嚣 通过上一小节的讨论，微小摩擦测力传感器的结构如图3 2 所示， 采用了平行板弹簧结构。 平行板弹簧结构原是弹性支承中的一种形式，在支承结构中具有独 特的特点，它可以产生平行位移。本研究正是利用这种特性，使得摩擦 头在被施力的状态下，保持和摩擦盘的接触状态不变。同时，板弹簧具 有无摩擦、无磨损，能适应真空、高低温、高压和辐射等恶劣工作环境， 结构简单，成本低等特点。在精密测试仪器、自动控制仪器等精密机械 领域得到愈来愈广泛的应用，近年来在航空航天和海洋的精密测量仪器 中有重要的开发当然，由于受它的变形特性的限制，只局限于小量程、 微位移的场合能获得理想的精度“ 平行板弹簧结构如图3 3 所示。两个单片板弹簧a b 和c d 平行国定， 相距为s 。两单片扳弹簧的一端a 和c 固定在固定板上，另一端b 和d 固定在活动板上。两单片板弹簧的长度l 、宽度b 、厚度h 和截面形状是 相同的作周在活动板上的外力为p ，活动板所产生的位移量为，。 纩 f 、。；。一。 p c b ；n l 图3 3 平行板弹簧结构形式 活 列j 扳 如图3 3 所示的结构形式，外力p 作用在离固定板为，距离的活动板 上。根据弹性材料的特性，力与变形的关系可推算出如下的公式。 厂：黑：黑 ( 31 ) 。 2 4 e ，2 e 6 矗5 式中，_ 活动板的位移量； p 施加在活动板上的外力； e 材料的弹性模量； ，帐弹簧的工作长度： ，惯性矩，矩形界面时为，= 砌3 1 2 ： 6 板弹簧的宽度： 力板弹簧的厚度； 根据实际试验结果表明，在平行板弹簧的活动板上作用如图3 4 所 示的外力b ，外力毋的影响是使板弹簧结构产生侧向倾斜的趋势( 即扭 转) ，因为板弹簧结构在这个方向上的刚度相对来讲是比较大的，所以， 此种扭转是微小的。我们可以把这种影响忽略，从而认为横向稳定性比 较高。 纩 ；。一： p c b ； n 母 l ； 动 叛 图3 4 平行板弹簧受力分析图 由于微小摩擦测力传感器的测力范围在毫牛级别，同时平行板弹簧 的横向稳定性比较高，因此，采用如图3 2 所示的结构。前后两纽平行 板弹簧不会产生太大的干涉，完全可以保证摩擦力和正压力不产生耦合。 设计平行板弹簧结构的几点注意事项： 1 ， 随着，的减小，导向精度可提高。当活动板重量很小和横向作用 力p y 微小的条件下，尺寸s 和板弹簧的刚度对活动板运动的轨 迹特性影响不大。 2 ，板弹簧的厚度h 一般应小于o 0 5 ，。 3 活动板和固定板之间的范围内，s 的尺寸差不应超过0 o3 0 0 1 m m 。 4 投弹簧固定范圉内的表面粗糙度r 。= o 1 6 一o 3 2hm 。 5 ，板弹簧固定表面的平行性不大于0 0 1 0 0 2m m ( 在10 0 咖长度 内) 。 6 为了提高应变传感器的分辨能力有必要适当地减小弹簧的刚 度。 二微小摩擦测力传感器的结构设计 微小摩擦测力传感器运用应变计测量作用在板弹簧的力，主要就是 测量如图3 3 中所示的位移厂。图3 3 中，在活动端作用外力p 时，活 动端产生位移厂，厂的数值可由公式( 3 1 ) 近似求得。可以看出在板弹 簧的宽度b 相同的条件下，作用相同的外力p ，要提高传感器的分辨能 力，需要把板弹簧的工作长度，加长，把板弹簧的厚度 减小。同时，还 要考虑到材料的载荷强度。 a 弹簧材料的选定” 选用硅锰钢6 0 s i 2 m n 。e = 2 1 b 计算公式 强度计算 盯：尝：等b 】 2 z6 向2 。 矩形截面时 拍2 6 弹簧的刚度 足：丝丝 ( 3 2 ) ( 3 4 ) 本文综合考虑了安装、贴片等问题，由公式( 3 1 ) ，公式( 3 2 ) 确 定了一组板弹簧。弹簧的尺寸规格为： 3 2传感器的测量电路设计 各种传感器通常采用某种测量电路在接入测量仪表，测量其输出信 号，对于电阻应变计式传感器，通常采用电桥测量电路，将应变引起的 电阻变化转换为电压或电流信号。由于，通常情况下，电桥输出的电压 b 得 ；眦如0 姗，卜式 胤贼蚣度度作度宽厚工刚的的的的簧簧簧簧弹弹弹弹板板板板 或电流信号很小，需要在电桥输出端接入放大电路。本文传感器的测量 电路采用如图3 5 所示的形式。 图3 5 钡l j 量电路方案简图 3 2 1测量电桥 对于电阻应变计及电阻应变式传感器，通常采用电桥测量电路，将 应变引起的电阻变化转换为电压或电流信号。电桥测量电路由应变计及 电阻组成桥臂，电桥的应变计接桥方式分为单臂、半桥和全桥，电桥的 电源可以是直流或交流，可用恒压或恒流，常用恒压源“ 本丈采用全桥、恒压、直流源。 应变电桥能精确的测量微小的的电阻变化。根据电阻应变片的阻值 与应变的关系即 竿：肛 ( 3 5 ) a 式中：j r 一电阻应变片式力传感器的变化量； r 一变形前的阻值： 置一灵敏系数： 1 7 一应变： 如果要得到很高的测量精度，那么测量应变电阻的变化率就要很小， 这就产生了测量精度要求高而量程又要求大的矛盾。在桥式电路中，采 用了惠斯登电桥就解决了这一矛盾。惠斯登电桥又四个桥臂，其中任意 一个都可以是应变电阻，电桥的对角接入输入电压，另一对角来测量输 出电压。电桥的一个特点是，四个桥臂电阻成一定比例时，电桥输出为 零，这样就降低了对后续电路的要求，便于采用高增益、高精度的防大 电路将其放大病进行测量。由于这个特点，我们使用电桥精确地测量微 小的电阻变化。 根据电桥的应变计的接桥方式不同，应变电桥的测量方法有以下几 种，本文采用了全桥接法，如图3 5 所示，电桥的四个桥臂都接上相同 的应变电阻，阻值为12 0 q 。在电压输入端接入直流5 v 恒压源。此种接 法也叫全等臂电桥， 即在初始桥臂电阻r l = 月2 = r 3 = 尺4 = r ，此时，u 。= o ，处于平 衡状态。当四个桥臂电阻应变计均发生应变而电阻变化时，即， 月1 争尺l + r l ，尺2 r 2 + r 2 ，尺3 r 3 + 尺3 ， 月4 r 4 + a r 4 ，则可 得下式： 叱= 慧篙搬掣u 。：坐墨! ；些! 些二竺12 。u 4 r + 2 0 & r i + 月2 + 出3 + r 4 ) 。竺f 些一些+ 堡一些1 4lr l 尺2r 3 r 4j z 等足0 一s ：+ ，一e 。) ( 3 6 ) 其中，假设舳l 矗i ，月2 r 2 ，r r ，r 。r 4 较小，分母中的小量可 以忽略。 由于电阻应变计的贴片位置如图3 6 所示 图3 6 贴片工艺图 r l ，r 3 位于板弹簧受拉端，电阻变化表现为增加，。，乇为正。 尺2 ，_ r 4 位于板弹簧受压端，电阻交化表现为减小，占：，毛为负。 并且，r l ，r 2 ，r 3 ，尺4 的贴片位置对称，受力相同，由此产生的应变 量相同，单符号相反，即= 毛= f ，岛= 岛= 一f 。 因此，式子( 3 6 ) 变为 = k s u ( 3 7 ) 根据应变电桥的分析，所建立的关系式表明了电桥的输出与电桥桥 臂电阻应变计的电阻变化的代数和近似为线性关系。其中，r 1 ，r 3 桥臂 为正号，r 1 ，r 3 桥臂为负号，可以利用这一特性，提高测量的灵敏度和 进行温度补偿。 3 2 2放大电路 微小摩擦测试仪的微小摩擦力测量传感器上的电阻应变计将理转换 为电阻变化，又通过惠斯登电桥将电阻变化转换为电压变化。由于加在 传感器上的力很小，所以电压变化也很小，只有m v 数量级甚至是hv 数 量级。 因此，欲使传感器能很好的发挥作用，首先就要求能以较高的测量精 度测量之以微小的电压信号然而，微弱信号测量起来有很大的困难， 这就需要对微弱信号进行放大。 放大电路采用m a x i m 公司生产的斩波稳零式高精度运算放大器 i c l 7 6 5 0 。i c l 7 6 5 0 是利用动态校零技术和c o m s 工艺制作的斩坡稳零式 高精度运放，输入偏置电流 在25 时为1 5 p a 、输入失 调电压为1 “v 、失调电压温 c e m 度系数为0 o l “v ，输入 c e 盯 电阻可以达到1 0 1 2 0 ，此外 m c g l 籼d l 其共模抑伟4 比迭至4l3 0 d b 。 p l j t 它具有输入偏置电流小、失 + 酣p u t 调小、高增益、共模抑制比 m c ( g u 矗r d l 能力强、响应快、漂移低、 v 性能稳定及价格优廉等优 点。 1 芯片结构 i h t 玎 d 丌l k i h l n r 站l ko u t v + o u 丁p u t c l 矗m p c r m 图3 7i c l 7 6 50 引脚j 非列图 i c l 7 6 5 0 采用1 4 脚双列直插式和8 脚金属壳两种封装形式，图3 7 所示的是最常用的1 4 脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚的 功能说明如下： c m b ：外接电容c c ：外接电容c e m ； 一i n p u t ：反向输入端； + l n p u t ：同向输入端 r + ，r 一：正负电源端： c ：c 帮c j h 8 的公央端 c 4 ，尸：箝位端： o u 7 p u r ：输出端； i n t c l k o u t ：时钟输出端； e x t c l ki n ：时钟输入端； i n t e x t ：时钟控制端，可通过选择使用内部时钟或外部时钟。当选 择外部时钟时，该端接负电源端( v 一) ，并在时钟输入端( e x t c l k i n ) 引入外部时钟信号。当该端开路或接v + 时，电路将使用内部时钟去控制 其它电路的工作。 2 工作原理 i c l 7 6 50 利用动态校零技术消除了c m 0 s 器件固有的失调和漂移，从 而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚，克服了传统斩波稳零放大器的这些 缺点。 卅n - i n o u t p u l c l a m p 图3 8i c l 7 6 5 0 的工作原理图 i c l 7 6 5 0 的工作原理如图3 8 所示。图中，m a i n 是主放大器( c o m s 运算放大器) ，n u l l 是调零放大器( c o m s 高增益运算放大器) 。电路通过 点在开关的转换来进行两个阶段工作，第一是在内部时钟( o s c ) 的上半 周期，电子开关a 和b 导通，4 和c 断开，电路处于误差检测和寄存器 阶段；第二是在内部时钟的下半周期，电子开关爿和c 导通，a 和b 断 开，电路处于动态校零和放大阶段。 由于i c l 7 6 5 0 种的n u l l 运算放大器的增益一般设计在1o o d b 左右， 因此，f p 使主运放m a i n 的失调电压k m 达到1 0 0 m v ，整个电路的失调电 压也仅为1 m v ，整个电路的失调电压也仅为1h v 。由于以上两个阶段不断 交替进行，电容c 。和c 。将各自所寄存的上一阶段结果送入运放m a i n 、 n u l l 的调零端，这使得图3 8 所示电路几乎不存在失调和漂移，可见 i c l 7 65 0 是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大 器。 测量电路的放大电路如图3 9 所示。 图3 9 放大电路示意图 3 3测力传感器的性能分析 测力传感器是微小摩擦测试仪的重要组成部分，因此，测力传感器 的性能将对微小摩擦测试仪的总体- 生能产生重要的影响。这里，性能分 析主要对测力传感器的静态特性进行分析。 静态特性指传感器在被测量处于稳定状态时的输出一输入关系，即 当输入系统的被测量为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入 之问呈现的关系“。一般要求传感器的输出一输入关系为线性关系，但 实际传感器往往不完全符合这一要求。衡量传感器静态特性的重要指标 是线性度、重复性、灵敏度等。 该传感器的测量方法采用单点重复加载去电压平均值的方法。电压 采用t e k 数字示波器测量载荷加载采用标准的精度为二级的砝码并配 合分辨率为万分之一克精度的电子天平。实物如图3 10 所示 图3 1 0 试验仪器 3 3 1测力传感器的线性度 线性度又称非线性，是表征传感器输出一输入校准曲线与选定的拟 合直线( 作为工作直线) 之间吻合( 或偏离) 程度的指标。通常用相对 误差来表示线性度，即 铲t 等l o 。 ( 3 8 ) 式中 。一输出平均值与拟合直线间的最大偏差： 昂，一理论满量程输出。 该测力传感器的线性度约为3 。 3 3 2测力传感器的灵敏度 线性传感器的校准的斜率就是传感器的静态灵敏度k k = 输出量变化 l ，l ， 输入量变化上x 该测力传感器的灵敏度约为1 5m y m 。 计算公式为 ( 3 9 ) 3 3 3测力传感器的重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次变动时所得特 性曲线的不一致程度重复性好，传感器误差小，通常用随机误差采描 述数据离散程度，因此，用标准偏差s 表示重复性，s 用下式计算 式中 r 一输出测量值 j ，一测量值的平均值； ”一测量次数。 重复性用下式计算 p ，：坠尘l o o ( 3 1o ) j 前的系数取2 时，误差服从正态分布，置信概率为95 ：取3 时 2 4 陴 置信概率为9 9 7 。 该测力传感器的重复性约为3 5 。 3 4小结 可见，微小摩擦测力传感器的性能直接影响到摩擦力测试仪的总体 性能。本章通过对测力传感器的要点和难点的分析，在结构上采用了平 行板弹簧结构。利用平行板弹簧的平行位移的特点，使得摩擦头在施力 状态下，保持和摩擦盘的接触状态不变。 测力传感器的变换电路是应变电桥，利用应雯片的电阻变化转换为 电压变化。由于，电桥输出的电压量很小，同时还存在温漂问题，给测 量带来困难。本丈采用m a x i m 的斩波稳零式高精度运算放大器i e l 765o 组成应变电桥的放大电路利用i c l 7 6 5 0 的动态校零技术和c o m s 工艺制 作的斩波稳零的特点，同时配合有效的温度补偿电路，解决了温漂问题。 第四章微小摩擦测试仪进给系统 4 1进给系统概述 进给系统的作用是完成对微小摩擦测力传感器施加力( 即使传感器 的平行板弹簧在z 方向发生弯曲形变) 、改变摩擦测头在摩擦盘上的径向 位置( x 方向) 、保证测力传感器的中线与摩擦盘的直径共线、以及起到 找正对准的作用等。 进给系统为手动系统，它由两组北京光学仪器厂的精密位移台组成。 该位移台采用了线性滚珠导轨，交叉滚柱导轨和精研燕尾副等多种导轨 形式，细牙螺杆，微分头和精研丝杠等驱动方式，多种安装孔位设计适 应不同安装需求，可方便地组合成多位移动台。本文选用了型号为 t m s 2 0 2 m 和p t s l 0 3 m 进行组合，如图4 1 所示 图4 ，l 精密位移台组合 4 2功能模块的分析 一精密位移台t m s 2 0 2 m t m s 2 0 2 m 型精密位移台，是整体式三维位移台，可以调节x 、y 和z 三个方向的进给采用精磨钢棒导轨，微分头驱动，调解范围较大，行 程为2 5m m ，并配有索紧机构如图4 2 所示。 图4 2t m s 2 0 2 m 型整体式三维位移台效果图 ，t m 8 2 0 2 m 型整体式三维位移台是整个进给系统的主要部分，它的技 术指标如下： 。 夺调整轴数：x y z 三轴 夺行程：2 5 姗 夺摆动误差： 3 0 r 夺驱动：微分头 夺最小读数：0 0 l 帆 夺灵敏度：0 0 0 1l i l 夺负载：2 5 蚝 1 t m s 2 0 2 m 的z 轴 主要是完成对微小摩擦测力传感器施加正压力，即通过z 轴的调整使 传感器在竖直方向上发生位移，在摩擦头与转盘刚好接触后，继续调整 z 轴使传感器的正压力平行板弹簧发生形变，而通过粘贴在板弹簧上的 应变计测量出变形的大小，应变电桥输出电压量，根据传感器标定曲线， 得到施加在摩擦测头上的正压力。由此可以看出，z 轴的进给精度直接 影响到测量传感器的精度，t m s 2 0 2 m 的灵敏度为o 0 0 1m 。 2 t m s 2 0 2 m 的x 轴 主要是完成水平方向的进给，可以改变摩擦测头在转盘的径向位置。 因为，摩擦力测试仪是要研究在不同速度下的摩擦特性，这就要求 我们改变摩擦副问的相对滑移速度。摩擦速度可由下式得到， u = 甜( 4 1 ) 式中：u 摩擦副间的相对滑移速度； 功一转盘的转速； ，一摩擦半径( 即摩擦头距转盘中心的距离) 。 由公式( 4 1 ) ，要改变滑移速度除了改变转盘的转速外，也可以在 转盘转速一定的情况下，通过改变摩擦头在转盘上的摩擦半径来实现。 3 t m s 2 0 2 m 的y 轴 主要是完成对正的作用，使摩擦传感器的中线与转盘的直径重合。 由于摩擦速度是由公式( 4 1 ) 来计算得到的，因此摩擦半径的测量 精度非常重要。而摩擦半径的值是通过t m s20 2 m 的x 轴的进给量换算过 来的，如果出现如所示的情况，进给基准发生变化，就会使摩擦半径的计 算出现误差，影响摩擦特性的研究。 在图4 3 中， r = r c o s 口( 4 2 ) r = 尺一x ( 4 3 ) 由式子( 4 2 ) 和( 4 3 ) 可推得摩擦半径 r = ( r 。一) c o s p( 4 4 ) 在摩擦力传感器的中线与转盘的直径线重合时( 理想情况) ，摩擦半 径r 与转盘直径爿1 4 2 的夹角曰为零，此时摩擦半径r 等于转盘半径与进 给量的差，即摩擦半径，= 月一x 。 ( 4 5 ) 式中： ，一摩擦半径； 尺一转盘半径( 已知) ： 一进给量( 设定值) ； 在摩擦传感器的中线与转盘的直径线不重合时，摩擦半径，与转盘 直径爿l 一2 的夹角目将不再为零，摩擦半径就会变为r = ( 尺一) c o s 臼。 此时，只能通过精密位移台的微分头读得进给量x ，而式中r 、目都将 是未知数。 因此，在实际测试过程中，在计算摩擦半