微小摩擦力测量仪的测力系统设计

编号 本科生毕业设计 微小摩擦力测量仪的测力系统设计 The Force-measuring System Design of Micro-frictionTesting Instrument 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 指 导 教 师 学 院 机电工程分院 2009年 X月 摘 要 摩擦现象与人类的生产和生活密切相关，随着微电子技术的飞速发展而兴起的微机电系统(Micro Electron Mechanical System, MEMS)，其零部件的几何尺寸目前一般在微米数量级，它们之间的摩擦介于微观与宏观摩擦之间，称之为微小摩擦。而MEMS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，将激光三角位移测量仪与双平行板弹簧片测力臂相配合，实现对微小摩擦力的测试，结合有限元分析软件Ansys对测力臂进行分析，同时具有精度高，性能可靠等优点。本文有三部分内容：
微小摩擦力测试仪的总体结构设计。

微小摩擦力测试仪的测力臂设计。

对微小摩擦力测试仪的性能及测试数据进行分析。

关健词:微小摩擦力测试仪 测力臂 有限元分析 激光三角法 ABSTRACT The phenomena of friction have close relations with people＇s live and production. With the development of micro electronics technology, Micro Electro Mechanical System (MEMS) has been developed rapidly, whose apparatus geometry dimension at micron level, the friction of them is between microcosmic and macroscopical. That is called micro-friction. Researching of MEMS is based on understanding the principle of micro-friction. So, that is the significance for investigate micro-friction. This paper presents a new micro-friction testing apparatus, which is built by laser triangle displacement instrument and double parallel measurement arms. The system can measure micro-force for micro-friction with analyzing by finite element analysis software Ansys it has advantages of high accurately and high reliability and so on. There are three chapters in the thesis: Micro-friction testing＇s apparatus＇ total structure design; Arm structure of Micro-friction testing system design; Analyzing performance and data of the Micro-friction testing＇s apparatus. Keywords: micro-friction testing＇s apparatus measuring arm of force Finite element analysis Laser triangulation 目 录 第一章 绪论 - 1 - 1.1引言 - 1 - 1.2国内外研究的现状 - 2 - 1.3本文研究的内容 - 3 - 第二章 微小摩擦实验仪的总体设计 - 4 - 2.1微小摩擦技术的简介 - 4 - 2.2微小摩擦实验仪的总体设计 - 4 - 2.3测力系统原理及其模型 - 7 - 第三章 微小摩擦测力臂的设计 - 8 - 3.1微小摩擦力测力臂的结构及制作 - 8 - 3.2微小摩擦测力传感器的几个要点和难点 - 8 - 3.3微小摩擦测力传感器的结构设计 - 9 - 3.4测力传感器的重复性 - 13 - 第四章 微小摩擦力测试系统检测方法的实现 - 13 - 4.1激光位移测量仪的简介 - 13- 4.2激光位移测量仪的选择 - 14- 4.3测量原理及误差分析 - 15 - 4.3.1工作原理的理论分析 - 15- 4.3.2影响激光三角位移检测仪测量精度的因素及误差分析 - 18 - 结 论 - 20- 参考文献 - 21 - 致 谢 - 22 - 第一章 绪论 1.1引言 摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；
零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；
机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；
弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；
特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。

摩擦学涉及许多学科。为了了解磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系，需要对表面的磨损全过程进行微观研究。仅就油润滑金属摩擦来说，就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题，涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科。

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1/2一1/3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80%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料、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。由于摩擦学对工农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。

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。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80年代中后期兴起的微型机电系统(MEMS )，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。

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MEMS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MEMS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MEMS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80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(MEMS)，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MEMS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才刚刚起步，尚不能对上述问题做出明确回答。而MEMS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 20世纪80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(scanning probemicroscope, SPM )，它包括扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM )，原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)以及摩擦力显微镜(friction force microscope, FFM)，后者亦称为横向力显微镜(lateral force microscope, LFM)。此外，还有专门研制的实验仪器，例如，表面力仪(surface force apparatus, SFA )、光干涉纳米润滑膜测试仪、石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)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(point contact microscope, PCM)。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Hardy揭示出了依靠润滑油中的极性分子与金属表面之间的物理化学作用而形成吸附膜的边界润滑状态。Tom lison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Bowdon和Tabo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，必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；
南京航空航天大学的范炯等人研制的多功能摩擦实验机；
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；
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间的摩擦力。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，关于摩擦的研究、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。用来分析在微小接触面积和微小接触载荷(毫牛顿数量级)作用下摩擦副间的摩擦现象。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。

第二章 微小摩擦实验仪的总体设计 2.1微小摩擦技术的简介 微小摩擦力实验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。而这里所要开发的微小摩擦力实验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，它介于微米和毫米数量级之间，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析，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Amoritons(阿蒙顿)摩擦公式，即摩擦力F与载荷P成正比，其比例常数为摩擦系数 (2.1) 在界面摩擦过程中，有 (2.2) 式(2.2)中，C1 C2 C3,分别为与粘着能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，通常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组成部分，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Amontons公式(2.1)。

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实验；
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。本文设计了一种微负荷摩擦试验系统，不但适用于摩擦系数的测量，而且可用来进行摩擦与磨损实验。

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.摩擦头体积小、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 微小摩擦力实验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。微小摩擦测试仪的测量原理如图2.1所示。

图2.1 系统原理框图 微小摩擦实验仪的结构原理如图2.2所示。

图2.2 微小摩擦力测试仪结构原理图 各部分元器件的作用：
1.电机——为转盘提供动能 2.水平调整装置——调整测力臂水平位置 3.垂直调整装置——调整测力臂垂直位置 4测力臂——能将摩擦力产生的形变准确反映出来的双平行板悬臂梁 5.激光位移测量仪——准确测量摩擦力产生形变的装置 6.摩擦头——和摩擦盘接触产生摩擦力的部件 7.摩擦盘——和摩擦头接触产生摩擦的转盘 8.磁阻测速传感器——准确测量转盘转速 (1)微小摩擦测力系统 该测力系统包括正压力和摩擦力测量两部分。测力系统由压力加载装置、测力臂、激光位移测量仪、显示仪表等组成。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配合压力加载装置用来提供正压力，叫正压力平行板弹簧；
后端竖直安装的平行板弹簧能够准确反映摩擦力在水平方向上的形变，叫摩擦力平行板弹簧。如图2.3所示。

图2.3测力臂原理结构图 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，由激光位移测量仪测得其形变量的大小，进而得到摩擦力。

(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PTS103M和TMS202。它们的进给精度为5um，最小读数为l0um.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，进而改变被测试件间的相对运动速度.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。

2.3测力系统原理及其模型 经典公式 f=k1N （2.3） F =k2S （2.4） (k1为摩擦系数 N为正压力k2为弹性系数 S为弹片的变形量) 测试方法设计模型，如图2.4 图2.4 测试方法设计模型 如上图所示，当摩擦头和摩擦盘接触后，摩擦盘转动，就会在二者之间产生一个摩擦力，这个摩擦力作用在测力臂上将会产生一个形变，使测力臂的摩擦头一侧发生偏移，通过激光位移测量仪的的测量可以得出这个位移量S,通过公式2.4可以得出摩擦力F,然后利用经典力学定律，在匀速条件下，摩擦力F和摩擦力近似相等，得到摩擦力、，最后在对摩擦力、进行误差分析。

第三章 微小摩擦测力臂的设计及有限元分析 3.1微小摩擦力测力臂的结构及制作 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: ①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。

②如何方便的更换摩擦头。

③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。

④保证正压力和摩擦力不藕合。

⑤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3.1 微小摩擦测力传感器 通过上一小节的讨论，微小摩擦测力传感器的结构如图3.1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3.2所示。两个单片板弹簧AB和CD平行固定，相距为S。两单片板弹簧的一端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1、宽度b、厚度h和截面形状是相同的。作用在活动板上的外力为P，活动板所产生的位移量为f。

图3.2平行板弹簧结构形式 如图3.2所示的结构形式，外力P作用在离固定板为1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。

(3.1) 式中f—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；

I—板弹簧的工作长度；

I—惯性矩，矩形界面时为I= bh3/12；

b—板弹簧的宽度；

h—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3.3所示的外力py，外力py的影响是使板弹簧结构产生侧向倾抖的趋势(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。

图3.3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3.1所示的结构。前后两组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藕合。

设计平行板弹簧结构的几点注意事项: 1.随着1的减小，导向精度可提高。当活动板重量很小和横向作用力PY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0.05l。

3.活动板和固定板之间的范围内，s的尺寸差不应超过0.03～0.01mm。

4.板弹簧固定范围内的表面粗糙度Ra 0.16～0.32m。

5.板弹簧固定表面的平行性不大于0.01～0.02mm(在100mm长度内)。

6.为了提高应变传感器的分辫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f。图3.3中，在活动端作用外力P时，活动端产生位移f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，要提高传感器的分辫能力，需要把板弹黄的工作长度1加长，把板弹簧的厚度h减小.同时，还要考虑到材料的载荷强度。

1.弹簧片材料的选择及热处理 铍青铜是一种析出硬化性合金。铍青铜是机械性能、物理性能、化学性能及抗腐蚀性能良好结合的唯一有色合金，经固溶和热效热处理后，具有特殊钢相当的高强度极限、弹性极限、屈服极限和疲劳极限，同时又具有高的导电率、热导率、高硬度和耐磨性能。因此广泛应用于电子电器、通讯仪器、航空航天石油化工，冶金矿山，汽车等制造领域。因此使用铍铜作为弹簧片是最理想的材料。如表格3。

高铍铜的性能指标：
化学成分 Be Co Ni Si Cu 1.8-2.25 0.35-0.65 0.25-0.75 0.2-0.35 余量 物理性能 密度g/cm³(20℃) 溶化温度 （℃） 拉伸弹性模量 （Gpa） 热导率W/（m·k） (20℃) 线膨胀系数 Um/( m·k) (20-30℃) 8.3 880-980 130 105 17.0 机械性能 抗拉强度 MPa 屈服强度 (0.2%)MPa 延伸率% 硬度 电导率 1ACS% 1250 1045 1 36-43HRC 18 材料:QBe2.5铍青铜 经查表知 铍青铜相关的一些参数 弹性模量:E=1.13/1011Pa 密度: ρ=8.3 x 103kg/m3 淬火:T80o 10o 再经回火:285o 5o 材料杭拉强度:=12.5x109Pa 安全系数:由查表得，知n=2.5 （1）材料的许用弯曲应力: []===5.0x109 Pa （3.2） 应变片承受最大应力 = E *=1.13 x 1011 x 0.02 = 2.26 x 109 Pa （3.3） 考虑应变片的安全，弹簧片在最大作用力的作用下所产生的最大应力 =min{,[]}==2.26 x 109 Pa =E·=1 .13x1011x0.5x10-6=5.65x104Pa 要满足测力时即有形变又保证应变片的安全，则弹簧片的应力 5.65 x 104Pa<<2.26 x 109Pa （2）刚度的选定 强度计算：
（3.4） 矩形截面：
（3.5） 弹簧的刚度：
（3.6） 综合考虑了安装，前后两个平行板弹簧片间的耦合问题，由公式（3.4）和公式（3.5）确定了一组平行板弹簧。尺寸规格为 板弹簧的宽度b=5.0mm 板弹簧的厚度h=0.5mm 板弹簧的工作长度l=50mm 板弹簧的刚度有公式（3.6）得到K=113mN/mm 3.1.3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，通常用随机误差来描述数据离散程度，因此，用标准偏差s:表示重复性，s用下式计算 (3.7) 式中 一输出测量值; -测量值的平均值; n一测量次数. 重复性用下式计算 (3.8) s前的系数取2时，误差服从正态分布，置信概率为95%；
取3时，置信概率为99.7%。

该测力传感器的重复性约为3.5%。

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。利用平行板弹黄的平行位移的特点，使得摩擦头在施力状态下，保持和摩擦盘的接触状态不变。

第四章 微小摩擦力测试系统检测方法的实现 4.1激光位移测量仪的简介 激光三角位移测量仪是光三角式传感器的原理为基础的。光三角式传感器是基于光束入射被测物体后产生反射，入射光与反射光构成三角形，根据反射光束的位置变化便可以确定被测物体端面位置，被测工件的尺寸及其公差，被测物体与光源之间的距离等参数，所以它得到了广泛的应用。它能够检测反射光束位置的光电敏感器件主要有CCD（charge coupled device）,光电二极管阵列，大光敏面的光位置传感器（position sensing detector,PSD）等。前两种属于非连续光电检测，因此需要外部驱动电路和扫描电路配合使用才可以达到测量的目的。PSD其输出的信号为模拟信号只要求有模拟信号处理电路就可以了，不需要其他电路的支持。在测量的精度上光电二极管阵列明显的劣于其他两种，因此，在精密测试中很少应用。CCD和PSD各有其优缺点，所以在实际测试中要根据不同的要求作出选择，这里只是简要介绍下光三角式传感器的原理，实际中的光电传感器的选择及其理由，将在以后章节中做出详细的讨论。

光三角式传感器是属于非接触式传感器，它不受被测物体空间结构的限制，使用灵活，同时它本身结构简单，性能稳定可靠，抗电磁干扰性强。已成功地将光三角传感技术应用于控制系统中运动物体的距离检测与定位控制，并取得了令人满意的效果。

在实际的测试系统中，许多光电传感器的应用都是基于光三角式传感器技术的原理的。许多一维和多维的测量传感器都是建立在三角法的基础之上的。在反射式开关传感器中，应用三角法原来消除如阳光辐射，室内照明等环境因素的影响，并用来调节和获取一个固定的和明确的开关距离。在一维传感器中，采用三角法进行距离测量，通过偏转镜和专门的评价软件可以扩展为对空间几何数据的采集、测量和处理。

4.2激光位移测量仪的选择 随着激光光学，精密机械，电子学，光电传感器技术，CCD成像技术和计算机技术等多门学科迅速发展，激光三角位移测试技术也得到了广泛的发展，人们根据不同的需求加工制造出出了各种各样的激光三角位移测力仪，不仅仅是在精度和速度上得到了显著的提高，通过一些特殊的技术，还可以是激光三角位移测试高温和低温的条件，这很明显的扩展了它的应用。

通过对国内外的激光三角位移测量仪的调研，就目前的要求来讲，市场上的激光位移测试能很好的满足对微小力产生的微小位移量做出精确的检测。我们找到了一种比较适合的激光三角位移测量仪来搭建系统，使其能很好的满足现阶段的要求，有又要具备一定的可发展性。因此，综合了当前的试验要求和为将来的进一步考虑，决定采用ZLDS100高精度低价位激光位移传感器。下面列出了其具体参数。从中我们不难发现，其测试的精度可以满足实验要求，处理的速度基本满足实时测量对高速的要求。如图4.1 图4.1 ZLDS100高精度低价位激光三角漫反射位移传感器特点：
防护等级高，工作温度范围宽，有同步功能，可用于差动测厚、测长等，特别适用工业环境高精度使用。

应用领域：ZLDS100成功应用于IKP5手持式激光火车轮轮缘轮廓测量仪，也可用于非接触测量位移、三维尺寸、厚度、表面轮廓、物体形变、振动、液位、分拣。

扩展功能及主要性能参数：
(1)有两个以上激光扫描同步功能（确保工业在线高精度差动测量）；

(2)有输入信号触发保持功能（能在线连续对零件测长，测高等）；

(3)小量程：0.5/2/5/10/15/25/50/100/250/500mm；

(4)线性度±0.1%；
分辨率0.01% (5)频率响应：2KHz 可选5或8Hz (6)输出：串行口RS232 或RS485；
可选4～20mA或0~10V；

(7)报警输出 NPN 100mA 40V (8)防护等级：IP67 (9)供电：5V或12V或24V (10)工作温度：-10oC～+60oC (11)尺寸：65x50x20 (12)重量：100g 本系统主要是通过检测悬臂梁的微小位移量来测量微小摩擦力的。位移检测是采用激光三角位移检测技术来实现的，其原理综合了激光光学，精密机械，电子学，光电传感技术，CCD成像技术和计算机技术等多门学科，它具有测量精度高，速度快，抗干扰能力强，非接触测量等多种优点。可以对悬臂梁的水平形变量做出实时在线的检测，通过计算机对检验结果实现在线分析。而且自带数据串口可以在计算机上进行显示，同时支持程序扩展。

4.3测量原理及误差分析 4.3.1工作原理的理论分析 单点激光三角法测量仪器主要由激光光源、透镜和光敏传感器组成。系统的测量原理图如图4.2所示。

图4.2直射式三角法原理图 由高斯公式 （4.1） 可得 l0——最大位移时的物距 l0`——l物距时的象距 f——透镜L的焦距 激光光源照射到物体上某一点，该目标点的图像通过透镜汇聚到传感器上形成像点。当激光照射的物体移动时，像点也在传感器上移动，在基线长度已知，光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下，通过测量传感器上像点的位置就能准确确定被测物体与仪器之间的距离。激光三角法测量仪器中最重要的组成部分是传感器，有2种传感器可用于此处，一种是位置感应探测器（Position Sensitive Detector,PSD）和电荷耦合器件（Charge Coupled Device,CCD）。PSD常用于小范围的距离测量，提供模拟信号输出适合通断测试使用；
CCD传感器具有良好的几何稳定性，产生的视频信号适于提供数字输出。

CCD具有几何尺寸稳定的优点，它和光源、透镜的几何关系决定了被测目标点与仪器间的最小距离（a点）和最大距离（c点）。但当目标点等间隔移动时其像点在CCD上并不是等间隔的变化，因此这种测量时非线性的。

以直射式为例，其测量光路如图1所示，激光器1发出的光线，经会聚透镜2聚焦好垂直入射到被测物体表面3上，物体移动或表面变化，导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜4接收来自入射光点的散射光，并将其成像在光点位置探测器5（CCD）的敏感面上。但是由于传感器激光光束与被测面垂直，只有一个准确调焦的位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。为了提高精度，和，必须满足Schcimpflug条件，像平面、物平面、透镜平面相交于一条直线，即（式中为横向放大率）。此时一定景深范围内的被测点都能正焦的成像在探测器上，从而保证了精度。若光点在成像面上的位移为,利用相似三角形各边之间的比例关系，按下式可求出被测面的位移 （4.2） 式中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前面的距离；
b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；
为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；
为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。

图4.3直射式三角法测量图 1—激光器 2—会聚透镜 3—被测表面 4—接受透镜 5—光点位置探测器 检测系统的工作原理，半导体激光器发出的激光经过光学系统聚焦后，在悬臂梁的一个表面上形成一个尺寸足够小的光点（光点直径大约为0.5mm）我们把目标面上的光点称之为物点，物点发出的漫反射光经过光学系统后，在CCD上形成一个相应的像点。当悬臂梁沿水平方向上，产生一个微小的位移后，形成在CCD上的像点位置也会随之产生变化，这样就可以通过CCD上像点的位置变化得到悬臂梁的水平位移量。

4.3.2影响激光三角位移检测仪测量精度的因素及误差分析 影响激光三角测量精度的因素有很多种，这里只是简单的讨论主要的几种。它们包括：组成测量系统的光学部件本身的误差表面粗糙度的影响, 被测表面微结构的影响等。

(1)组成测量系统的光学部件本身的误差 主要来源于球差、慧差、象散、场曲和畸变等，它们会使实际成像点偏离理想成像点，这些误差主要靠制造工艺来消除或减少。除光学部件以外，影响测量精度的因素还有测量环境，激光器光斑形状，CCD传感器和处理电路以及被测面表面特性等。

(2)表面粗糙度的影响 激光三角测量的一个前提条件是被测物体表面应对入射光具有一定的散射能力，这样被测物体表面反射的光才能被激光三角测试仪所接受。物体表面由于具有不同的粗糙程度会具有不同的光散射能力，因此会影响测量的精度。不同的粗糙度的情况可以看出，随着粗糙程度的增加，外腿表面散射光的强度及方向会有所改变，由此会影响激光三角位移监测仪的接受信号的强弱，进而影响测量的精度。

(3)被测表面微结构的影响 被测物体表面不同的微结构也会影响到光的散射模式。被测物体表面具有横向微条纹结构的情况，两者的光散射模式具有明显的不一样。另外，在光散射的模式下不可避免的会出现局部反射的情况（即“双包络”现象的出现），这些均会影响测量的结果。

由于在测量中不可避免存在误差，因此在实际的实验中，要对实验结果进行误差分析。用随机误差来描述数据离散程度，因此，用标准偏差s:表示重复性，s用下式计算 (4.3) 式中 一输出测量值; -测量值的平均值; n一测量次数. 重复性用下式计算 (4.4) s前的系数取2时，误差服从正态分布，置信概率为95%；
取3时，置信概率为99.7%。

结 论 此微小摩擦力测试仪是在查阅了大量的文献资料的基础上，通过对目前已经研制出的一些结构进行分析比较，而设计出来的。在微小摩擦测力传感器的设计上采用了平行板弹簧结构，把施力与测力通过一个测力臂来完成。在主体结构上，采用半封闭式结构，使装置简洁化。在位置调整系统中，目前采用了手动调整方式，但不能做到很好的连续进给。今后在课题的深入开发过程中，可以采用伺服电机控制的自动连续进给方式。这样一来，X、Y、Z实现自动控制，可以实现纳米级微小切削。该测试仪不仅适用于摩擦系数的测量，而且还可用来进行摩擦与磨损试验，也可实现微小切削。论文主要完成了以下主要工作及解决的问题: 1.通过广泛的调研和深入的讨论，针对微小摩擦测试的特点、难点，确定了 微小摩擦测试仪的总体设计方案。

2.根据总体设计方案，对实验仪的测力臂部分进行了详细分析，使机构做到 小型化，系列化。

3.在测力传感器上采用了平行板弹簧结构，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。

4.完成了测力传感器的有限元分析，为实际测量做好准备。

5.使用激光三角位移法对应力臂的位移进行测量，然后再通过经典力学公式 在实际试验中进行标定。

目前，该测试仪的总体设计部分已经全部完成，正处在不断完善工程中。由于本课题涉及的内容比较广泛，加之本人的能力有限，该测试仪还存在许多需要完善的地方。比如，测力臂的加工工艺和具体和安装方法、激光三角位移测量仪的放置位置还需要实验测试来调整、进给装置的自动控制的实现等问题，都有待于进一步的完善。

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