一种基于表面摩擦的多物理量检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于表面摩擦的多物理量检测装置及检测方法，属于多物理量检测装置和检测方法。包括高频梁、同步耦合梁、低频梁、摩擦块、支撑定位结构、压电激振结构、横向压电大位移驱动结构、纵向压电大位移驱动结构、L型支撑结构等。低频梁的拾振结构拾取摩擦振动信号以检测表面粗糙度和硬度。低频梁与高频梁、同步耦合梁共同组成同步共振结构，用于检测动摩擦系数，并倍增输出频率以提高灵敏度。本发明专利技术利用较简单的结构，实现动摩擦系数、表面粗糙度和硬度的检测，在表面检测和材料识别领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面摩擦的多物理量检测装置及检测方法
本专利技术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和检测方法。
技术介绍
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。JessicaDacleuNdengue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。ZhuNan-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。SriramSundar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。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于表面摩擦的多物理量检测装置及检测方法，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。本专利技术采取的技术方案是：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。一种基于表面摩擦的多物理量的检测方法，包括：(一)、动摩擦系数的检测方法按以下步骤进行：(1)将该装置的固定端与驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面上方并使其凸台定位结构与被测表面接触，由于凸台定位结构的底部低于摩擦块的底部，摩擦块将以一定的压力压紧被测表面；(2)扫频激励压电激振结构，在某激振频率下，趋近于低频梁的一阶固有频率，低频梁、高频梁均产生振幅倍增，并发生同步共振，此时，根据同步共振原理，低频梁的谐振频率在摩擦力作用下发生偏移，高频梁的谐振频率偏移量发生两倍倍增；△ω2＝ω'2-ω2＝2(ω'1-ω1)其中ω1和ω1′分别为低频梁在摩擦力作用前后的谐振频率，ω2和ω′2分别为高频梁在摩擦力作用前后的谐振频率，△ω2为高频梁谐振频率的偏移量；(3)根据低频梁的谐振频率偏移量可求得摩擦力的大小，因而可以由低频梁的频率偏移量确定动摩擦系数，公式如下：fd＝μFN其中L是低频梁的长度，和ζ1分别是低频梁的一阶固有模态和阻尼比，其中xF是正压力FN相对于固定端的距离。M1和A1分别是低频梁的广义质量和模态振幅，fd和μ分别是摩擦力和动摩擦系数；(4)由于同步共振，高频梁的谐振频率的偏移量相对于低频梁会发生两倍倍增，从而可以建立动摩擦系数和高频梁的谐振频率偏移量的数学关系：(5)拾取此时高频梁的压电拾振结构和电容拾振结构相叠加的交变电信号确定摩擦力作用下高频梁的谐振频率ω2′，实现动摩擦系数检测；(二)、表面粗糙度和硬度的检测方法按以下步骤进行：(1)将该装置的固定端与驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面上方并使其凸台定位结构与被测表面接触，由于凸台定位结构的底部低于摩擦块的底部，摩擦块将以一定的压力压紧被测表面；(2)驱动纵向压电大位移驱动结构做匀速直线运动，环形摩擦块与被测表面产生相对运动，发生摩擦振动现象；拾取低频梁上的压电拾振结构和电容拾振结构相叠加的交变电信号；(3)根据电信号的频率和幅值，粗略估计被测表面的表面粗糙度等级；(4)驱动横向压电大位移驱动结构做匀速直线运动，从而带动环形摩擦块转动，使形成摩擦副的环形摩擦块的表面与被测表面具有相同或相近表面粗糙度等级，实现粗糙度等级匹配；(5)驱动纵向压电大位移驱动结构，拾取低频梁上压电拾振结构和电容拾振结构相叠加交变电信号；(6)基于该交变电信号的幅值和频率分别实现表面粗糙度幅值和周期的检测；(7)基于该交变电信号的频率属性以自组织映射无监督方法可实现硬度检测。本专利技术的有益效果：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。本专利技术的适用检测范围取决于自身尺寸大小，具有很强的适用性，即可实现超精密表面的动摩擦系数、表面粗糙度和硬度检测，也可实现粗糙表面的动摩擦系数、表面粗糙度和硬度检测。采用凸台定位结构与被测表面接触并定位，可以减小该装置定位部分与被测表面的接触面积，减小额外摩擦带来的误差。表面粗糙度和动摩擦系数间具有正相关(在干摩擦情况下)或负相关(在湿摩擦情况下)关系，二者相互验证可提高检测准确性。本专利技术将摩擦振动原理和同步共振原理应用于多物理量检测装置设计，利用较简单的结构，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：所述摩擦块为绕中心轴转动的环形摩擦块。4.根据权利要求3所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。6.根据权利要求5所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。7.根据权利要求1所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置，其特征在于：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。8.采用如权利要求1所述的一种基于表面摩擦的多物理量检测装置的检测方法，其特征在于：包括动摩擦系数的检测方法和表面粗糙度和硬度的检测方法，其中：(一)、动摩擦系数的检测方法按以下步骤进行：(1)将该装置的固定端与驱动装置相连接，使整个装置移动至被测表面上方并使其凸台定位结构与被测表面接触，由于凸台定位结构的底部低于摩擦块的底部，摩擦块将以一定的压力压紧被测表面；(2)扫频激励压电激振结构，在某激振频率下，趋近于低频梁的一阶固有频率，低频梁、高频梁均产生振幅倍增，并发生同步共振，此时，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东方，夏操，杜旭，江傲俊，田利峰，郑果文，刘思明，万胜来，杨旭，刘欣，殷志富，王昕，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22