微小摩擦力测量仪的测力系统设计论文

长春理工大学光电信息学院毕业设计摘 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 件Ansys对测力臂 行 ， 具有 ， 。本文有三部 微小摩擦力测试仪的 结 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 测试数 行 。关 微小摩擦力测试仪 测力臂 有限元 激光三角 ABSTRACTThe phenomena of friction have close relations with peoples 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 testings apparatus total structure design；Arm structure of Micro-friction testing system design；Analyzing performance and data of the Micro-friction testings apparatus.Keywords: micro-friction testings apparatus measuring arm of force Finite element analysis Laser triangulationI长春理工大学光电信息学院毕业设计目 一 .1 1.1 .1 1.2 研究的现 .2 1.3 本文研究的 .3 微小摩擦实仪的 设计 .4 2.1 微小摩擦技术的currency1介 .4 2.2 微小摩擦实仪的 设计 .4 2.3 测力系统理 其“ .7 三 微小摩擦测力臂的设计 .8 3.1 微小摩擦力测力臂的结 .8 3.1.1 微小摩擦测力fifl器的几 要 和 .8 3.1.2 微小摩擦测力fifl器的结 设计 .9 3.1.3 测力fifl器的重 .13 微小摩擦力测试系统测 的实现 .14 4.1 激光位移测量仪的currency1介 .14 4.2 激光位移测量仪的 .15 4.3 测量理 .16 4.3.1 工理的理 .16 4.3.2 ”激光三角位移测仪测量 的因 .19 结 .21 文 .22 .23 II长春理工大学光电信息学院毕业设计一 摩擦学研究的对象，在机工 要 摩擦， fi 电 和 零件 工介 摩擦 ，和 机 机 工 的摩擦学 ， 工切 工和 工 弹 摩擦， 与 的摩擦弹 密 的力 特殊工况条件下的摩擦学 ，宇宙探索 遇到的 真空低温和离子辐射 ，深海业的 压腐蚀润 剂稀释和防 密 。摩擦学涉 许多学科。为了了解磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类的相互 化以 合的错综关系，需要对 的磨损全过 行微观研究。仅就油润 摩擦来说，就需要研究润 力学弹 和塑 润 剂的流变 貌fi热学和热力学摩擦化学和 物理 ，涉 物理化学材料机工和润 工 学科。英由于较好地应用了摩擦学知识，每年 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 的。 见，摩擦学的研究对民经济具有重要意义。 估计，全世界大约有/2一/3的 源以各种式消耗在摩擦上。而摩擦导 的磨损是机设备失效的要因，大约有80%的损坏零件是由于各种式的磨损起的。因此，控摩擦，减少磨损，改善润 已 为节约 源和材料缩短维修 间的重要措施。 ，摩擦学对于提 产品 量延长机设备的使用寿命和增强 有重要用。由于摩擦学对工 业生产和人民生活的巨大”，因而起世界各的 重 ， 到 的应用。工业 命以 ，机器的大量使用对其产生了迫切需 ，使其研究和发展 了一 新的 。由于摩擦学现象发生在 ，”因 多，这就使 理 和实研究 较为 ，因而理 与实 的相互 和 是摩擦学研究的 一 特 。随着理 研究的 深 和实技术 ，目前摩擦学研究的发展 由宏观 微观 由 量 由 以 由一学科角 的 多学科的综合研究。随着微电子技术 到机工的各 和机电一 化的发展，大地 了机微小化 的速发展。20世80年 currency1兴起的微机电系统“ ，是fi于的现科学技术 为fl 微 米科学技术的重要组 部1长春理工大学光电信息学院毕业设计的一新的科技，它将微机 微器微电源微fifl器和控电 于一 ，具有 小 量低 和 化 一系 ，在生物学”控空数 信fifl技术 现技术展现了巨大的应用发展力。经过 密 的微机电系统，由于尺寸的减小，摩擦 的间于微/ 米级，在过 ，此尺寸效应的”， 着力摩擦力 力相对于fi统机 的 力而，现 出， 为”“ 和使用寿命的关因。在这种条件下，宏观摩擦学的理 已不用， 研究以界 上 子子为 对象的 米摩擦学特 。年来“ 米摩擦学研究所 的研究 ，不仅 和 了 米摩擦学的fi 研究 ，而 为设计 发 善行 应多应变”的“产品提 了重要技术 。摩擦现象与人类的生产和生活密切相关， 80年子 微 和摩擦力 微 世以 ，发现在子 子 米级尺 下宏观的摩擦 不 用，摩擦学研究 微观与宏观结合的新 ，随着微电子技术的飞速发展而兴起的微电子机系统“，其零部件的几何尺寸目前一般在微米数量级， 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 宏观摩擦 ，摩擦件的尺寸 到何种 微观摩擦的，这是 前 “研究的人们所需解的 。由于微小结 的条件限，目前对其机理的研究 起 ，不 对上 出明确 。而“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。2 研究的现20世80年 currency1在上兴起了 米摩擦学，它是在子 子尺 上研究摩擦界 上的行为损 其对 。在它的研究过 是施 的 ， 是研究对象的 ，于相对 的速 是 米量级的。它微观角 研究了摩擦的机理，在 摩擦界 的微观结 和特 。 是，由于 米摩擦学研究涉 到摩擦界 的微观 过，在理 和实研究上 在大 。现 测试技术和仪器的发展，提 了在子 子尺 上观 现象 其变化的有效手 ，使 米摩擦学的实研究 为 。 以说， 米摩擦学是在 米 貌和微小 力测量技术发展的fi 上逐 善的。米摩擦学实研究仪器要是扫 描探针 微 scanning probemicroscope, P“ ，它 扫描隧道 微 scanning tunneling microscope, T“ ，子力 微 atomic force microscope, AF“以 摩擦力 微 friction force microscope, FF“， 者亦称为横力 微 2长春理工大学光电信息学院毕业设计lateral force microscope, LF“。此， 有专门研的实仪器，例，力仪surface force apparatus, FA 光干涉 米润 膜测试仪石英晶 微平quartz crystal microbalance,QC“ 到应用。年来， 有一些新装置出现，例 微 point contact microscope, PC“。这些仪器将随着试测试技术的 一 善，更 实地反映实工况。而宏观摩擦学研究对于降低机设备的摩擦 耗，提 抗磨损寿命和 ，以 推机 数工况发展起着重要用，它已 为现机设计和 的重要fi 学科之一，因此宏观摩擦学研究仍然是本学科发展的流。然而， Hardy 出了 润 油 的 子与 之间的物理化学用而 吸附膜的边界润 。Tom lison 子角 了固 在 的 量 换和摩擦起因。特别是 Bowdon和Tabo建立了以着效应为fi 的摩擦磨损理 ，人们越来越发觉宏观研究不 深 地 摩擦界 的微观结 和特 因而它所建立的理 往往具有大的局限 。，由于 今固 摩擦理 不够 善， 使摩擦系数数值离散 大，在工设计 以预 其准确数值 此，机设备的噪声大 来源于摩擦剧变化起的振 有， 密机 的微机 和 位装置的爬行现象。这些 需要改善摩擦的品 来解。然，宏观研究与微观研究相结合， 将 摩擦学更 善。 在机设计和 对提 机 和 工 有着重要的贡。因此，十几年来 美越来越关注这 的研究， 先 有相应的 文发，上海交 大学采用微电机 元件和测试元件 过 微电机在施 压力前 特 的改变的 ，间 地计算出微小摩擦力的大小 南京空大学的范炯人研的多功 摩擦实机 哈尔滨工业大学的邹继斌 人研的微负 摩擦测试系统 本京 市工业实所研的微小摩擦力测试仪 。这些仪器测量出了毫牛顿数量级下两种不 材 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， 十 具有理 意义和现实意义。3本文研究的 摩擦直 关系到系统的 耐久 和 量的利用率，摩擦的研究对微机电系统微 米 工技术的不断用将产生深远的”。然而，关于摩擦的研究采用的是实研究的 ，目前没有合的测试设备对微小摩擦 行测量。本课要的研究 就是研出微小摩擦力测试仪。用来 在微小 和微小 毫牛顿数量级用下摩擦 间的摩擦现象。 过实 到在3长春理工大学光电信息学院毕业设计不 介 ” 的摩擦况和摩擦特 数，为微机 的设计以 理解微机 特 提 。 微小摩擦实仪的 设计2微小摩擦技术的currency1介微小摩擦力实仪有别于 米摩擦学的实测试仪器。在 米摩擦学的实测试仪器 其所施 的 是所研究的材料的 于相对 的速 是采用 米量级的。它们研究的是子 子尺 上摩擦界 的微观结 和特 而这里所要 发的微小摩擦力实仪则是在微小 和微小 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 米量级来 行比较毫疑 是相 大的， 相对于宏观 来说又是相 小。 ，它的相对 速就微观而是相 的。在机 这种条件下的摩擦是经 以看见的，在系统 我们到底使用宏观的摩擦学理 使用微观的理 呢?这就需要我们对这种条件下的摩擦来 行 ， 过对该仪器的实来找到与之相合的理 。由 摩擦的宏观研究 出，固 摩擦 Amoritons 顿摩擦 式，摩擦力F与 P 比，其比例数 为摩擦系数F P= 2在界 摩擦过 ，有2/3 4/31 2 3F C P C P C P= + + 22式22 ，C C2 C3, 别为与着 w弹 数 r 有关的 数。由式22 知，在组 界 摩擦力的各因 ， 三所 比例较小， 以 不计。 着强 较大 ， 一是界 摩擦力的要组部 ，此 以 地采用式 的 一。而 P相对较大 ，界 摩擦力将以 为， 于描 摩擦的Amontons 式2。22微小摩擦实仪的 设计在微小摩擦测量 ， 压力和摩擦力 小， 确测量 来较大 。就微小 压力施力系统的设计而，该系统 具有 的 力，其 ，微负4长春理工大学光电信息学院毕业设计的测量本 需要采 一些特殊的技术措施，目前要采用的有 变 与位移 。其 ， 以 角的变化测量摩擦力。 不用于摩擦与磨损实 变 与位移 以 数 微 测量摩擦力， 数又不 。本文设计了一种微负 摩擦试系统，不 用于摩擦系数的测量，而 用来 行摩擦与磨损实。一设计 需要解的技术 和关技术 微小 的 以 的 2摩擦力 “ 的机结 小化 和 currency1 的实现 3部件的 摩擦 小更换的实现 测量的 和测试 的 装置的组 测量理微小摩擦力实仪要 摩擦力 系统摩擦力测试系统控以 系统。微小摩擦测试仪的测量理2所 。2.1 系统理微小摩擦实仪的结 理22所 。5长春理工大学光电信息学院毕业设计22 微小摩擦力测试仪结 理各部 元器件的用 1.电机为 提 2. 平 fl装置 fl测力臂 平位置3.直 fl装置 fl测力臂直位置4测力臂 将摩擦力产生的变准确反映出来的双平行板currency1臂5.激光位移测量仪准确测量摩擦力产生变的装置6.摩擦 和摩擦 产生摩擦力的部件7.摩擦和摩擦 产生摩擦的 8. “测速fifl器准确测量 速(1)微小摩擦测力系统该测力系统 压力和摩擦力测量两部 。测力系统由压力 装置测力臂激光位移测量仪 仪 组 。测力臂由两组平行板弹簧组 前 平装的平行板弹簧配合压力 装置用来提 压力， 压力平行板弹簧 fi直装的平行板弹簧 够准确反映摩擦力在 平 上的变，摩擦力平行板弹簧。2.3所 。6长春理工大学光电信息学院毕业设计2.3测力臂理结 过 fl直 装置的 量，使 压力平行板弹簧发生变， 而产生压力施 在摩擦 上，使摩擦 与fl 的 ，发生摩擦 过测 将摩擦力fi 摩擦力平行板弹簧，使其发生变，由激光位移测量仪测 其变量的大小， 而 到摩擦力。2位置 fl系统位置 fl系统由 平 和直 组 。 系统采用了 京光学仪器的 密位移，为PT03“和T“202。它们的 为um，小 数为l0um它 在一 范 节测 的, , 的位置，改变摩擦 在 上的位置。这 以 节”测件 的 ， 而改变”测试件间的相对速 今 ，, , 实现 控， 以实现 米级微小切 。3 系统系统 装置电机系统。 装置由 ， 组 。系统是电机 ， 过 fi ，使 ， 过测速系统测 的 速。 节电机的 速和 节”测试件 的 ，就 以改变”测试件间的相对速 。23测力系统理 其“经 式f 23 F 2 2 为摩擦系数 为 压力 2为弹 系数 为弹片的变量测试 设计“，2 7长春理工大学光电信息学院毕业设计2.4 测试 设计“上所 ， 摩擦 和摩擦 ，摩擦 ，就在者之间产生一 摩擦力，这 摩擦力用在测力臂上将产生一 变，使测力臂的摩擦 一发生移， 过激光位移测量仪的的测量 以 出这 位移量S, 过 式2.4 以 出摩擦力F,然 利用经力学 ，在速条件下，摩擦力F和摩擦力 相 ， 到摩擦力， 在对摩擦力 行 。三 微小摩擦测力臂的设计3微小摩擦力测力臂的结 3微小摩擦测力fifl器的几 要 和 微小摩擦测力fifl器的 要 是 重 好测试装 。因此在fifl器的设计过 要解以下关 何在两 之间施 的 压力，该 压力 使 之间产生够大的摩擦力，又不”fifl器的 。何 的更换摩擦 。何在施 压力 ， 准确实 地测量出 压力毫牛级和摩擦力。 压力和摩擦力不合。为 测量 和 ，要解系统防振防温 抗干 。8长春理工大学光电信息学院毕业设计32微小摩擦测力fifl器的结 设计一微小摩擦测力fifl器结 的确 3 微小摩擦测力fifl器过上一小节的 ，微小摩擦测力fifl器的结 3所 ，采用了平行板弹簧结 。平行板弹簧结 是弹 的一种式，在 结 具有 特的特 ，它 以产生平行位移。本研究 是利用这种特 ，使 摩擦 在”施力的 下和摩擦的 不变。 ，板弹簧具有 摩擦 磨损， 应真空低温 压和辐射 工”，结 currency1 ， 本低 特 。在 密测试仪器 到 来 的应用，年来在空和海 的 密测量仪器 有重要的 发。 然，由于它的变特 的限 局限于小量微位移的 合 理 的 。平行板弹簧结 32所 。两 片板弹簧AB和C 平行固 ，相 为。两 片板弹簧的一A和C固 在固 板上， 一B和 固 在活板上。两片板弹簧的长 b 和 是相 的。用在活板上的力为P，活板所产生的位移量为f。9长春理工大学光电信息学院毕业设计32平行板弹簧结 式32所 的结 式，力P用在离固 板为 离的活板上。 弹 材料的特 ，力与变的关系 推算出下的 式。3 3324 2pl plfEI Ebh= = 3式 f活板的位移量 p施 在活板上的力 材料的弹 “量 板弹簧的工长 ， 界 为 b 3/2 b板弹簧的 板弹簧的 实试结明，在平行板弹簧的活板上用33所 的力py，力py的”是使板弹簧结 产生的 ，因为板弹簧结在这 上的 相对来是比较大的，所以，此种 是微小的。我们 以 这种” ，而 为横 比较 。10长春理工大学光电信息学院毕业设计33平行板弹簧力 由于微小摩擦测力fifl器的测力范 在毫牛级别， 平行板弹簧的横 比较 ，因此，采用3所 的结 。前 两组平行板弹簧不产生 大的干涉， 全 以 摩擦力和 压力不产生合。设计平行板弹簧结 的几 注意 随着的减小，导 提 。 活板重量小和横用力P微小的条件下，尺寸s和板弹簧的 对活板的 特 ”不大。2板弹簧的 一般应小于00l。3活板和固 板之间的范 ，s的尺寸不应过00300mm。板弹簧固 范 的 a 0032 m。板弹簧固 的平行 不大于00002mm在00mm长 。为了提 应变fifl器的 力有 要 地减小弹簧的 。微小摩擦测力fifl器的结 设计微小摩擦测力fifl器用应变计测量用在板弹簧的力，要就是测量33 所 的位移f。33 ，在活用力P ，活产生位移f的数值 由 式3 。 以看出在板弹簧的 b相 的条件下，用相 的力P，要提 fifl器的 力，需要 板弹 的工长 长， 板弹簧的 减小 ， 要 到材料的 强 。弹簧片材料的 热理是一种 出 化 合 。是机 物理 化学 抗腐蚀 好结合的 一有 合 ，经固溶和热效热理 ，具有特殊钢相 的强 限弹 限屈 限和疲劳限， 又具有 的导电率热导率 和耐磨 。因此应用于电子电器 讯仪器空石油化工，冶 矿山， 。因此使用为弹簧片是理 的材料。格3。11长春理工大学光电信息学院毕业设计化学Be Co Ni Si Cu1.8-2.25 0.35-0.65 0.25-0.75 0.2-0.35 余量物理密 g/cm(20)溶化温 拉伸弹 “量Gpa热导率W/mk(20)线膨胀系数Um/( mk)(20-30)8.3 880-980 130 105 17.0机抗拉强 MPa屈 强 (0.2%)MPa延伸率% 电导率1ACS%1250 1045 1 36-43HRC 18材料 QBe2经查知 相关的一些数弹 “量 3/0Pa 密 83 x 03 g/m3淬火 T80o 0o经 火 28o o材料杭拉强 b 2x09Pa全系数 由查 ，知n2材料的许用弯曲应力 b bn 912.5 102.5 0x09 Pa 32应变片 大应力 m * max 3 x 0 x 002 22 x 09 Pa 33应变片的全，弹簧片在大用力的用下所产生的大应力max min m , 6 m 22 x 09 Pa min min 3x0x0x0-x0 Pa 要满测力 有变又 应变片的全，则弹簧片的应力 x 0 Pa 22 x 09Pa2 的 强 计算 的 指标 12长春理工大学光电信息学院毕业设计23 2pl plz bh = = 3 26bhz = 3弹簧的 332EbhKl= 3综合 了装，前 两 平行板弹簧片间的耦合 ，由 式 3 和式 3确 了一组平行板弹簧。尺寸 格为板弹簧的 b0mm板弹簧的 0mm板弹簧的工长 l0mm板弹簧的 有 式 3 到 3m/mm 33测力fifl器的重 重 fifl器在输 量按 一 全量多 变 所 特 曲线的不一 。重 好，fifl器小， 用随机来描 数 离散 ，因此，用标准s 重 ，s用下式计算21( )1niiY Ys n= 37式 iY一输出测量值 Y-测量值的平 值 n一测量 数重 用下式计算(23) 100%fF sseY= 贝 g 38s前的系数 2 ， 布，置信概率为9% 3 ，置信概率为997%。该测力fifl器的重 约为3%。13长春理工大学光电信息学院毕业设计小结见，微小摩擦测力fifl器的 直 ”到摩擦力测试仪的 。本过对测力fifl器的要 和 的 ，在结 上采用了平行板弹簧结 。利用平行板弹 的平行位移的特 ，使 摩擦 在施力 下， 和摩擦的 不变。 微小摩擦力测试系统测 的实现激光位移测量仪的currency1介激光三角位移测量仪是光三角式fifl器的理为fi 的。光三角式fifl器是fi于光束 射”测物 产生反射， 射光与反射光 三角， 反射光束的位置变化 以确 ”测物 位置，”测工件的尺寸 其 ，”测物 与光源之间的 离 数，所以它 到了的应用。它 够测反射光束位置的光电fl器件要有CC c arge coupled device,光电管阵，大光 的光位置fifl器 position sensing detector,P 。前两种 于 光电测，因此需要部电 和扫描电 配合使用 以 到测量的目的 。P 其输出的信为“拟信 要 有“拟信理电 就 以了，不需要其 电 的 。在测量的 上光电管阵明 的 于其 两种，因此，在 密测试 少应用。CC 和P 各有其 缺 ，所以在实测试 要 不 的要出，这里 是currency1要介绍下光三角式fifl器的理，实 的光电fifl器的 其理由，将在以 节 出详 的 。光三角式fifl器是 于 式fifl器，它不”测物 空间结 的限，使用活， 它本 结 currency1 ， ，抗电 干 强。已 功地将光三角fifl技术应用于控系统 物 的 离测与 位控， 了令人满意的效。在实的测试系统 ，许多光电fifl器的应用 是fi于光三角式fifl器技术的理的。许多一维和多维的测量fifl器 是建立在三角 的fi 之上的。在反射式 关fifl器 ，应用三角 来消除阳光辐射， 照明 ”因的”用来 节和 一 固 的和明确的 关 离。在一维fifl器 ，采用三角 行 离测量， 过 和专门的评价 件 以扩展为对空间几何数 的采测量和理。14长春理工大学光电信息学院毕业设计2激光位移测量仪的随着激光光学， 密机，电子学，光电fifl器技术，CC 像技术和计算机技术 多门学科迅速发展，激光三角位移测试技术 到了的发展，人们不 的需 工 出出了各种各的激光三角位移测力仪，不仅仅是在 和速 上 到了 著的提 ， 过一些特殊的技术， 以是激光三角位移测试 温和低温的条件，这明 的扩展了它的应用。过对 的激光三角位移测量仪的 研，就目前的要 来，市 上的激光位移测试 好的满对微小力产生的微小位移量 出 确的测。我们找到了一种比较合的激光三角位移测量仪来搭建系统，使其 好的满现 的要 ，有又要具备一 的 发展 。因此，综合了 前的试要 和为将来的一 ， 采用L 00 低价位激光位移fifl器。下 出了其具数。 我们不发现，其测试的 以满实要 ，理的速 fi本满实 测量对 速的要 。 4.1ZLDS100 低价位激光三角漫反射位移fifl器特 防护 级 ，工温 范 ，有 功 ， 用于测测长 ，特别用工业” 使用。15长春理工大学光电信息学院毕业设计应用 ZLDS100 功应用于IKP5手 式激光火 缘 廓测量仪， 用于 测量位移三维尺寸 廓物 变振液位 拣。扩展功 要 数 (1)有两 以上激光扫描 功 确 工业在线 测量 (2)有输 信 发 功 在线 对零件测长，测 (3)小量 0.5/2/5/10/15/25/50/100/250/500mm (4)线 0.1% 辨率0.01%(5)频率应 2KHz 5 8Hz(6)输出 串行口RS232 RS485 420mA 010V (7)报警输出 NPN 100mA 40V(8)防护 级 IP67(9) 电 5V 12V 24V(10)工温 -10oC+60oC(11)尺寸 65x50x20(12)重量 100g本系统要是 过测currency1臂的微小位移量来测量微小摩擦力的。位移测是采用激光三角位移测技术来实现的，其理综合了激光光学， 密机，电子学，光电fifl技术，CC 像技术和计算机技术 多门学科，它具有测量 ，速 ，抗干 力强， 测量 多种 。 以对currency1臂的 平变量 出实 在线的测， 过计算机对结实现在线 。而 数 串口 以在计算机上 行 ， 序扩展。3测量理 3工理的理 激光三角 测量仪器要由激光光源 和光fifl器组 。系统的测量理 2所 。16长春理工大学光电信息学院毕业设计 2直射式三角 理由 斯 式 0 01 1 1l l f+ = f f= l0大位移 的物 l0l物 的象 f L的焦 激光光源照射到物 上某一 ，该目标 的像 过 汇聚到fifl器上像 。 激光照射的物 移 ，像 在fifl器上移，在fi线长 已知，光源和fifl器 的相对位置确 的前提下， 过测量fifl器上像 的位置就准确确 ”测物 与仪器之间的 离。激光三角 测量仪器 重要的组 部是fifl器，有2种fifl器 用于此，一种是位置fl应探测器 Position ensitive etector,P 和 电 耦 合 器 件 C arge Coupled evice,CC 。P 用于小范 的 离测量，提 “拟信输出合 断测试使用 CC fifl器具有 好的几何 ，产生的 频信于提 数输出。CC 具有几何尺寸 的 ，它和光源 的几何关系 了”测目标 与仪器间的小 离 a 和大 离 c 。 目标 间隔移 其像在CC 上 不是 间隔的变化，因此这种测量 线 的。以直射式为例，其测量光 所 ，激光器发出的光线，经聚 17长春理工大学光电信息学院毕业设计2聚焦好直 射到”测物 3上，物 移 变化，导 射光 沿射光 移。 收 收来 射光 的散射光， 将其 像在光 位置探测器 CC 的fl 上。 是由于fifl器激光光束与”测 直， 有一 准确 焦的位置，其余位置的像 于不 的离焦 。离焦将起像 的弥散，而降低了系统的测量 。为了提 ， 1 和 2 ， 满c cimpflug条件，像平 物平 平 相交于一条直线， 1 2tan tan 式 为横放大率。此 一 景深范 的”测 焦的 像在探测器上，而 了 。若光 在 像 上的位移为 x ,利用相 三角各边之间的比例关系，按下式 出”测 的位移21 1 2sinsin sin( )axxb x = + 2式 ，a为激光束光 和 收 光 的交 到 收 前 的 离 b为 收 到 像 心 的 离 1 为激光束光 与 收 光 之间的夹角 2 为探测器与 收 光 之间的夹角。18长春理工大学光电信息学院毕业设计 3直射式三角 测量激光器 2聚 3”测 光 位置探测器测系统的工理， 导 激光器发出的激光经过光学系统聚焦 ，在currency1臂的一 上 一 尺寸够小的光 光 直 大约为0mm我们 目标 上的光 称之为物 ，物 发出的漫反射光经过光学系统 ，在CC 上一 相应的像 。 currency1臂沿 平 上，产生一 微小的位移 ， 在CC 上的像 位置 随之产生变化，这就 以 过CC 上像 的位置变化 到currency1臂的 平位移量。32”激光三角位移测仪测量 的因 ”激光三角测量 的因有多种，这里 是currency1 的 要的几种。它们 组 测量系统的光学部件本 的 的”, ”测 微结 的” 。组 测量系统的光学部件本 的要来源于 慧象散 曲和畸变 ，它们使实 像 离理 像 ，这些要 工 来消除 减少。除光学部件以，”测量 的因 有测量”，激光器光斑，CC fifl器和理电 以 ”测 特 。2 的”激光三角测量的一 前提条件是”测物 应对 射光具有一 的散射 力，这”测物 反射的光 ”激光三角测试仪所 。物 由于具有不 的 具有不 的光散射 力，因此”测量的 。不 的 的情况 以看出，随着 的增 ，腿 散射光的强 有所改变，由此”激光三角位移监测仪的 信的强弱， 而”测量的 。3”测 微结 的”测物 不 的微结 ”到光的散射“式。”测物 具有横微条 结 的情况，两者的光散射“式具有明 的不一。 ，在光散射的“式下不 避免的出现局部反射的情况 “双络”现象的出现，这些 ”测量的结。由于在测量 不 避免 在，因此在实的实 ，要对实结 行 。用随机来描 数 离散 ，因此，用标准s 重 ，s用下式计算19长春理工大学光电信息学院毕业设计21( )1niiY Ys n= 3式 iY一输出测量值 Y-测量值的平 值 n一测量 数重 用下式计算(23) 100%fF sseY= 贝 g s前的系数 2 ， 布，置信概率为9% 3 ，置信概率为997%。20长春理工大学光电信息学院毕业设计结 此微小摩擦力测试仪是在查阅了大量的文资料的fi 上， 过对目前已经研出的一些结 行 比较，而设计出来的。在微小摩擦测力fifl器的设计上采用了平行板弹簧结 ， 施力与测力 过一 测力臂来 。在 结 上采用 闭式结 ，使装置currency1洁化。在位置 fl系统 ，目前采用了手 fl 式