基于光纤传感器的微摩擦/微粘着测试仪性能研究

摘要

微摩擦／微粘着测试仪是针对微观条件下摩擦及粘着现象开发的测试装置,能够有效测量微牛至毫牛范围内的摩擦力和粘着力,反映材料间的摩擦和粘着特性,为微机电系统中微摩擦磨损特性研究提供试验手段。
　　 本文在先期研制的微摩擦／微粘着测试仪的基础上,针对振动干扰影响较大和步进电机间歇运动等问题,对信号处理、步进电机控制和压电陶瓷控制等问题进行了分析和研究,采用复合滤波、闭环控制和复合加载等方法对测试仪进行改进,进一步提高了仪器的测试精度和稳定性,主要研究工作有:
　　 (1)采用铍青铜为材料制作弹性敏感元件,并进行了有限元分析和标定,优化了元件的刚度系数和输入输出线性,增强了测试仪的灵敏度。
　　 (2)对不同工况条件下的载荷及摩擦力电压信号进行时域、频域和小波分析,研究了噪声和振动干扰信号特点,采用均值滤波、滑动滤波和小波去噪组成的复合滤波方法进行处理,有效地减弱了外界振动干扰和噪声的影响。
　　 (3)分析了法向步进电机加载方式下的静态及动态加载误差,通过构建PID闭环控制系统实现闭环加载控制,减少了加载误差,提高了载荷加载精度。
　　 (4)研究了压电陶瓷的迟滞和非线性等固有特性,在前馈开环控制误差分析的基础上,对压电陶瓷采用位移闭环控制,获得了较高的位移输出精度。
　　 (5)采用步进电机和压电陶瓷实现复合加载,满足了不同加载要求,通过微摩擦力测试实验和微粘着力测试实验,验证了测试仪稳定性和可靠性。