[0026] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0027] 参见图1，本发明的一种基于双端固定式石英音叉2的二维测力装置包括机械系统及电路系统两个主要部分。其中，机械系统包括双端固定式的石英音叉2及其支架，振动发生器3(具体采用的是压电陶瓷)及测量探针4(具体采用的是金属探针)、多普勒振动测试仪5以及压电微动实验台6。电路系统包括第一正弦信号发生器7、第二正弦信号发生器8、信号调理电路9、第一锁相放大器10、第二锁相放大器11、数据采集模块12和计算机13。
[0028] 石英音叉2作为敏感元件，在交变电流的作用下，音叉臂在水平方向振动，带动测量探针4上下振动，用于轴向力测量，其上端固定于支架上，下端与振动发生器3背面相粘接，振动发生器3正面与测量探针4相连。由于音叉测力是利用石英晶体的压电效应，因此双端固定式的石英音叉2上端接入两电极。两电极中的第一电极接入第一正弦信号发生器7，第二电极接入信号调理电路9，做传感器输出信号。
[0029] 第一正弦信号发生器7用作激励源，一方面对石英音叉2进行驱动，另一方面作为参考信号输入第一锁相放大器10。
[0030] 信号调理电路9实现传感器输出信号的I/V转换以及放大。
[0031] 第一锁相放大器10用于比较传感器输出信号与参考信号的相位变化，并将相位变化转换为电压，并通过数据采集模块12传送至计算机13。以上构成轴向力测量系统。
[0032] 振动发生器3与测量探针4用于剪切力测量。
[0033] 第二正弦信号发生器8用作激励源，一方面驱动振动发生器3在水平方向振 动，另一方面作为参考信号输入第二锁相放大器11。
[0034] 多普勒振动测试仪5其激光束瞄准金属探针，反射光频率随着金属探针振动速度发生偏移，经过光电转换，转换为电信号。
[0035] 第二锁相放大器11用于比较多普勒振动测试仪5输出信号与参考信号的相位、振幅变化，并通过数据采集模块12传送至计算机13。以上构成剪切力测量系统。
[0036] 计算机13的作用是读取传感器测量信息，进行分析计算，同时驱动压电微动实验台6。
[0037] 压电微动实验台6用于放置待测润滑剂薄膜14，利用压电效应驱动压电位移驱动器调整实验台高度。高度调整可实现单步及连续两种模式，连续调整高度变化速度为6nm/sec。
[0038] 双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度。
[0039] 本实施例中，石英音叉2臂尺寸为8mm×0.2mm×0.2mm。测量探针4的针头直径为100μm，压电陶瓷的尺寸为2mm×2mm×2mm。第一正弦信号发生器7和第二正弦信号发生器8用作激励源，均选用泰克公司的双通道函数信号发生器AFG3022B。第一锁相放大器10和第二锁相放大器11均选用AD630芯片实现。数据采集模块12采用NI公司的PCI-6229DAQ数据采集卡，用于采集第一锁相放大器10和第二锁相放大器11的输出信号。
[0040] 本发明利用的是音叉测力原理实现的。石英音叉2是利用石英晶体的压电效应而制成的，工作时给石英音叉2施加合适的正弦交流电压信号，使石英音叉2处于近谐振状态。当探针靠近被测液体润滑剂表面时，由于处于谐振状态的石英音叉臂对外力极为敏感，探针表面原子团与液体表面原子团之间的作用力会使得音叉振动的幅值和相位发生变化。通过测量其相位、幅值的变化即可测得液体和探针之间的作用力大小。
[0041] 本发明采用双端固定式石英音叉作为传感器，其特点是两个音叉臂两端均采用底座固定，其两音叉臂的横向振动相位差为180°，因此分布于音叉臂两端基部的动态力时大小相等方向相反的一力偶。此时一端与剪切力测量用探针相连接，探针的振动能量可忽略，因此提高了系统Q值及灵敏度，简化了结构。
[0042] 参见图2和图3，双端固定式的石英音叉2嵌入支架中，以提高其刚度，其上设置沉孔15，便于支架固定。
[0043] 二维测力装置的测量方法如下：
[0044] A.将待测润滑剂薄膜14置于压电微动实验台6，调整实验台高度至接近测量探针4，其距离一般为0.5-0.8cm；
[0045] B.开启电源，调整第一正弦信号发生器7和第二正弦信号发生器8的振动频率以及幅值；
[0046] C.连续调整压电微动实验台6高度，使其以6nm/sec的速度接近测量探针4， 同时计算机13开始记录数据，此时记录的数据是分别为来自石英音叉2以及激光多普勒振动测试仪5的振动幅值、相位变化信息；
[0047] D.根据以下公式分别计算出轴向力Fn以及水平方向的剪切力FS：
[0048]
[0049]
[0050] 其中，η是粘度系数，d为探针直径，h为探针尖端与底板的距离，S为探针与润滑膜的接触面积，V为振动速度。而η可由以下公式求得：
[0051]
[0052] 其中，α为输出振幅与参考振幅之比，δ为输出相位与参考相位之差。
[0053] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
