本發(fā)明涉及一種摩擦力及摩擦系數(shù)測量裝置，具體地說是一種摩擦力及摩擦系數(shù)實驗與測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

摩擦力的測量一直是物理實驗設(shè)計的難點，物理實驗中測量摩擦力的傳統(tǒng)方法有斜面法和水平法。斜面法就是將被測物體放置在一個平臺上，然后逐漸增加平臺的傾斜角度，當(dāng)被測物體由于重力開始下滑時，測量出傾斜角度，根據(jù)力的分解進(jìn)行計算即可得到摩擦力和摩擦系數(shù)。水平法就是將被測物體水平放在水平的平臺上，施加牽引力讓被測物體勻速運動，此時的牽引力大小即為摩擦力的大小。

這兩種方法均有各自的優(yōu)點，斜面法則利用被測物體自身重力的分解力作為牽引力，緩慢抬升傾斜角度，具有設(shè)備簡單，測量誤差相對較小的優(yōu)點；水平法直接測量被測物體的摩擦力，具有快速、直觀的優(yōu)點。但不得不承認(rèn)它們也都有各自的缺點，斜面法是通過測量傾斜角度間接測量摩擦力及摩擦系數(shù)，首先作為實驗演示時，不夠直觀，其次角度的精確測量難以實現(xiàn)，再者這種方法的分析、計算過于復(fù)雜，脫離了摩擦力實驗的本質(zhì)。所以在教學(xué)中很少采用這種方法，大多是采用水平法測量。但是水平法測量也存在著不足，最為突出的便是牽引力的提供，最原始的是手動牽引，即用手拉被測物體運動,但是人手提供的力不均衡，很難讓物體沿水平方向做勻速運動。后來，人們也對摩擦力測量裝置做了改進(jìn)，用重物牽引或電動機(jī)牽引，這兩種方法提供的牽引力是恒定的，但是由于我們是在測量摩擦力的大小，所以我們無法預(yù)知所提供的牽引力應(yīng)該多大，這就造成了牽引力不等于摩擦力，故最終測量的結(jié)果也是錯誤的。此外，這種方法在測量時測力計是隨著被測物體運動的，這就造成了讀數(shù)的不便，而且大多測力計的精度不夠，誤差較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種測量快速、簡單、直觀、精確，既可以運用于物理實驗教學(xué)，又可以作為專業(yè)的摩擦力及光滑度測定工具的摩擦力及摩擦系數(shù)實驗與測量裝置及測量方法。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種摩擦力及摩擦系數(shù)實驗與測量裝置，它包括測量端和顯示控制端，

所述測量端包括摩擦承載板、超聲波測速傳感器、電機(jī)停止開關(guān)、底座以及設(shè)置在所述底座上的電路板、單片機(jī)、電阻應(yīng)變式傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、無線收發(fā)模塊、直流電機(jī)、LED指示燈、滑輪和稱重盤，所述電阻應(yīng)變式傳感器包括用于稱重的電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ和用于測量電機(jī)牽引力的電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ，電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ和電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ分別經(jīng)過所述AD轉(zhuǎn)換器與所述單片機(jī)連接；所述超聲波測速傳感器、電機(jī)停止開關(guān)、無線收發(fā)模塊、LED指示燈分別與所述單片機(jī)連接，所述直流電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動與所述單片機(jī)連接；

所述電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ上設(shè)置有稱重盤，所述電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ的一端固定在所述底座上，另一端固定連接一個滑輪座，在所述滑輪座上設(shè)置有一個滑輪；

在所述直流電機(jī)的輸出軸上設(shè)置有一個工字型的卷線輪，一根無彈性線從所述卷線輪繞過位于卷線輪后方的所述滑輪后與所述摩擦承載板上的被測物體連接；所述單片機(jī)利用PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動的PWM從而牽引被測物體勻速運動；

所述超聲波測速傳感器用于測量被測物體的運動速度；

所述電機(jī)停止開關(guān)用于控制直流電機(jī)的停止；

所述顯示控制端包括單片機(jī)、鋰電池以及分別與所述單片機(jī)連接的液晶顯示屏、無線收發(fā)模塊、按鍵、蜂鳴器和LED指示燈，所述按鍵包括確定/鎖定按鍵、選擇/結(jié)束按鍵、返回/退線按鍵、復(fù)位按鍵、開關(guān)按鍵和電機(jī)按鍵。

優(yōu)選的，所述摩擦承載板與所述底座可拆卸連接。

優(yōu)選的，所述電機(jī)停止開關(guān)為紅外光電傳感器。

進(jìn)一步的，所述測量端還包括稱重指示燈。

進(jìn)一步的，在所述電路板上還設(shè)置有下載串口、藍(lán)牙擴(kuò)展口、紅外光電傳感器連接口、DC電源接口、電機(jī)驅(qū)動口、電源開關(guān)和復(fù)位按鍵。

進(jìn)一步的，所述顯示控制端還包括分析繪圖模塊，它可以根據(jù)測的的數(shù)據(jù)，繪制摩擦力隨時間變化的曲線圖像、摩擦力隨壓力變化的曲線圖像或摩擦力隨拉力變化的曲線圖像。

一種摩擦力及摩擦系數(shù)測量方法，包括以下步驟：

a、開機(jī)后系統(tǒng)自檢，若有異常，提示錯誤信息，若無異常，進(jìn)入“模式選擇”；

b、“模式選擇”下包含“實驗?zāi)Ｊ健焙汀皽y量模式”，選擇“實驗?zāi)Ｊ健焙筮M(jìn)入步驟c，選擇“測量模式”后進(jìn)入步驟d；

c、實驗?zāi)Ｊ?/p>

c1、待設(shè)備的稱重指示燈亮起后，將所測物體放到稱重盤，待數(shù)值穩(wěn)定后選擇“導(dǎo)入”后進(jìn)入“確認(rèn)導(dǎo)入”界面，如果對所測質(zhì)量沒有質(zhì)疑，則按下“確認(rèn)”鍵；

c2、按下電機(jī)按鍵，液晶顯示屏顯示拉力值；

c3、按下“鎖定”鍵，拉力值被鎖定，然后記錄數(shù)值；

c4、實驗完成后，如果還要繼續(xù)進(jìn)行實驗測量，則按下“退線”鍵完成退線后可再次實驗；

c5、如果要結(jié)束實驗，則按下“結(jié)束”鍵，返回到“模式選擇”界面；

d、測量模式

d1、選擇“測量模式”后，進(jìn)入“壓力測量”界面，待設(shè)備的稱重指示燈亮起后，將所測物體放到稱重盤，待壓力數(shù)值穩(wěn)定后選擇“導(dǎo)入”后進(jìn)入“確認(rèn)導(dǎo)入”界面，如果對所測質(zhì)量沒有質(zhì)疑，則按下“確認(rèn)”鍵；

d2、壓力數(shù)值被導(dǎo)入后，出現(xiàn)“是否開始”確認(rèn)界面，選擇“確認(rèn)”鍵后，電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)入自動測量模式；

d3、測量完成后，系統(tǒng)發(fā)出警報聲，并在液晶顯示屏上顯示所測最大靜摩擦力、滑動摩擦力以及摩擦系數(shù)；

d4、測量完成后，如果想結(jié)束測量，或者再次進(jìn)行“測量模式”，可按下“結(jié)束”鍵，返回到“模式選擇”界面。

進(jìn)一步的，在步驟d中，還包括分析繪圖選項，選擇分析繪圖選項后，可以選擇在液晶顯示屏上顯示摩擦力隨時間變化的圖像、摩擦力隨壓力變化的圖像或摩擦力隨拉力變化的圖像。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)單片機(jī)運用PID算法控制電機(jī)驅(qū)動PWM進(jìn)行牽拉，代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動牽拉、重物牽拉和單純電機(jī)牽引，速度穩(wěn)定性高，牽引力自適應(yīng)摩擦力。

(2)電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)合24位高精度AD代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈簧測力計，精度有了質(zhì)的飛躍。同時自帶高精度質(zhì)量、壓力測量，直接導(dǎo)入系統(tǒng)中，方便快捷，避免二次誤差。

(3)測量與顯示分離實現(xiàn)，無線收發(fā)，解決傳統(tǒng)讀數(shù)不便問題。同時，在教學(xué)演示的時候老師可以控制裝置拿給學(xué)生體驗，讓學(xué)生真正參與到課堂。

(4)整體采用半自動數(shù)字化測量，由高速微控制單元控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性強(qiáng)，避免了了傳統(tǒng)人為誤差。

(5)簡潔、細(xì)致的操作系統(tǒng)，具有硬件異常報警、聲光提示、鎖定、退線等便捷功能。

(6)具有藍(lán)牙連接擴(kuò)展功能，可通過手機(jī)APP代替遙控裝置進(jìn)行操控。

(7)可廣泛運用于工業(yè)測量、實驗和教學(xué)演示等領(lǐng)域，運用范圍廣泛。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

圖1為本發(fā)明的測量端結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的顯示控制端結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的整體原理框圖；

圖4為本發(fā)明的測量過程流程圖；

圖5為本發(fā)明的PID控制原理圖；

圖6為本發(fā)明的電阻應(yīng)變式傳感器的直流電橋電路圖；

圖7為本發(fā)明的被測量物體受力分析示意圖。

圖中，摩擦承載板1、超聲波測速傳感器2、電機(jī)停止開關(guān)3、底座4、電路板41、下載串口411、藍(lán)牙擴(kuò)展口412、紅外光電傳感器連接口413、DC電源接口414、電機(jī)驅(qū)動口415、單片機(jī)42、電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ43、電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ43＇、AD轉(zhuǎn)換器44、無線收發(fā)模塊45、直流電機(jī)46、卷線輪461、LED指示燈47、滑輪48、稱重盤49、被測物體5、顯示控制端6、液晶顯示屏7、LED指示燈9、確定/鎖定按鍵81、選擇/結(jié)束按鍵82、返回/退線按鍵83、亮度調(diào)節(jié)旋鈕84、復(fù)位按鍵85、開關(guān)按鍵86、電機(jī)按鍵87。

具體實施方式

下面結(jié)合圖1-圖7對本發(fā)明的具體實施例做詳細(xì)描述：

本發(fā)明包括測量端和顯示控制端，顯示控制端和測量端是相互分離的，它們通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

需要說明的是，雖然圖3中僅僅給出了本發(fā)明的原理框圖，但，給出了具體的元器件和他們之間的對應(yīng)連接關(guān)系，根據(jù)圖3結(jié)合本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，很容易能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的詳細(xì)電路連接，因此，在這里不再贅述。

如圖1和圖3所示，所述測量端包括摩擦承載板1、超聲波測速傳感器2、電機(jī)停止開關(guān)3、底座4以及設(shè)置在所述底座4上的電路板41、單片機(jī)42、電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ43、電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ43＇、AD轉(zhuǎn)換器44、無線收發(fā)模塊45、直流電機(jī)46、LED指示燈47(包括電源指示燈、電機(jī)指示燈和無線指示燈)、滑輪48和稱重盤49，電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ43用于稱重，電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ43＇用于測量電機(jī)牽引力，電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ43和電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ43＇分別經(jīng)過所述AD轉(zhuǎn)換器45與所述單片機(jī)42連接。所述超聲波測速傳感器2、電機(jī)停止開關(guān)3、無線收發(fā)模塊45、LED指示燈47分別與所述單片機(jī)42連接，所述直流電機(jī)46通過電機(jī)驅(qū)動與所述單片機(jī)42連接，電機(jī)驅(qū)動采用L298N芯片。在所述電路板41上還設(shè)置有下載串口411、藍(lán)牙擴(kuò)展口412、紅外光電傳感器連接口413、DC電源接口414、電機(jī)驅(qū)動口415、電源開關(guān)和復(fù)位按鍵。所述的AD轉(zhuǎn)換器44為24位高精度AD，它可使測量質(zhì)量最小精度達(dá)到0.001千克，測量拉力和壓力值最小精度達(dá)到0.01N。

電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ43一端的底面被墊起后固定在底座43上，另一端的上面通過一個墊塊固定一個長方形的稱重盤49，所述電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ43＇的一端通過一個L型鋁片固定在所述底座4上，另一端固定連接一個滑輪座，滑輪座為п型，在所述滑輪座上設(shè)置有一個滑輪48。所述測量端還包括稱重指示燈，稱重指示燈可以設(shè)置在稱重盤49上。

在所述直流電機(jī)46的輸出軸上設(shè)置有一個工字型的卷線輪461，一根無彈性線從所述卷線輪461繞過位于卷線輪461后方的所述滑輪48后與所述摩擦承載板1上的被測物體連接；所述單片機(jī)42利用PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動的PWM從而牽引被測物體5勻速運動。

所述超聲波測速傳感器2用于測量被測物體5的運動速度；所述電機(jī)停止開關(guān)3用于控制直流電機(jī)46的停止，優(yōu)選的，所述電機(jī)停止開關(guān)3為紅外光電傳感器。所述的紅外光電傳感器起到檢測被測物體作用，當(dāng)被測物體在摩擦承載板1上運動到指定位置時，紅外光電傳感器會檢測到，并發(fā)送信號給單片機(jī)42，從而停止電機(jī)轉(zhuǎn)動，防止電機(jī)燒壞或測量端被損壞。紅外光電傳感器與超聲波測速傳感器屬于測量端的一部分，為了實現(xiàn)相應(yīng)功能它們可以均設(shè)置在測量端主體之外，通過導(dǎo)線與測量端主體相連，為了便于收納放置，它們通過插接頭可拆卸的連接。如圖1中所示，超聲波測速傳感器2通過插接頭插接在底座4上，當(dāng)然，它還可以設(shè)置在摩擦承載板1上與底座連接的位置。紅外光電傳感器還可以設(shè)置在摩擦承載板1一側(cè)，可以通過滑動座與摩擦承載板1上滑動連接。

所述摩擦承載板1與所述底座4可拆卸連接，通過螺絲固定，可反復(fù)拆卸。還可以采用卡扣插接連接。

以下為測量端各器件或接口的說明：

(1)超聲波測速傳感器：用于測量被測物體的運動速度；

(2)紅外光電傳感器：用于設(shè)置被測物體的運動停止處，當(dāng)被測物體運動到所放置紅外光電傳感器的位置時，被測物體將停止運動，測量結(jié)束；

(3)稱重指示燈：當(dāng)此燈亮起時，則表示稱重功能已開啟，可以進(jìn)行測量壓力和重量；

(4)稱重盤：用于放置需要壓力及重量測量的物體；

(5)下載串口：用于系統(tǒng)軟件升級；

(6)紅外光電傳感器連接口D：用于連接紅外傳感器；

(7)電源開關(guān)：用于開斷電源；

(8)DC電源接口：電源限接5V直流電源，超過該電壓將會燒毀電路；

(9)電機(jī)驅(qū)動口：用于連接電機(jī)驅(qū)動；

(10)藍(lán)牙擴(kuò)展口：用于連接藍(lán)牙擴(kuò)展模塊；

(11)無線傳輸模塊：該模塊未接或損壞將會導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作；

(12)電源、電機(jī)、無線指示燈：當(dāng)電源接通時，電源指示燈亮起；

當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)指示燈亮起；當(dāng)無線工作時，無線指示燈亮起。閃爍頻率代表傳輸速度；

(13)復(fù)位按鍵：該按鍵用于復(fù)位(重啟)測量端，僅在死機(jī)、出現(xiàn)異常情況時使用；

(14)電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ：用來測量電機(jī)所提供的牽引力即摩擦力的數(shù)值；

(15)電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ：用來測量被測物體的質(zhì)量及壓力數(shù)值；

(16)24位高精度AD轉(zhuǎn)換器：用于將電阻應(yīng)變式傳感器測得的拉力或壓力的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；

(17)直流電機(jī)：用于提供牽引力；

(18)增強(qiáng)型51單片機(jī)：是裝置的運算、處理、儲存和控制單元，負(fù)責(zé)調(diào)動裝置的各個模塊，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理；

(19)滑輪：連接被測物體和電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ，用于改變電動機(jī)提供的牽引力的方向。

如圖2和圖3所示，顯示控制端6包括增強(qiáng)型51單片機(jī)、鋰電池以及分別與所述單片機(jī)連接的液晶顯示屏7、無線收發(fā)模塊、按鍵、蜂鳴器和LED指示燈9，所述按鍵包括確定/鎖定按鍵81、選擇/結(jié)束按鍵82、返回/退線按鍵83、亮度調(diào)節(jié)旋鈕84、復(fù)位按鍵85、開關(guān)按鍵86、電機(jī)按鍵87。LED指示燈9包括電源指示燈、電機(jī)指示燈和無線指示燈。所述的顯示控制端能直接顯示測量的最大靜摩擦力、滑動摩擦力、滾動摩擦力和摩擦系數(shù)，同時內(nèi)置分析繪圖模塊，可在屏幕上直接顯示出摩擦力大小隨時間變化的圖像，即f-t圖像，同時還能顯示摩擦力大小隨壓力和拉力大小的變化規(guī)律，及f-Fn圖像和f-F圖像。在最為實驗器材時，學(xué)生可通過圖像直觀探究領(lǐng)悟到摩擦力的相關(guān)性質(zhì)。

以下為顯示控制端各器件或接口的說明：

(1)鋰電池：1020mah鋰電池，可連續(xù)續(xù)航>＝3.5小時。但在不使用時請及時關(guān)閉電源，以免出現(xiàn)電池過度放電；

(2)增強(qiáng)型51單片機(jī)：是裝置的運算、處理、儲存和控制單元，負(fù)責(zé)調(diào)動裝置的各個模塊，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理；

(3)蜂鳴器：用于測量結(jié)束或者設(shè)備異常時的聲音提示；

(4)確定/鎖定按鍵：該按鍵兼具“確定”與“鎖定”功能。在非實驗?zāi)Ｊ綍r為“確定”功能；在試驗?zāi)Ｊ綍r為“鎖定”功能，可以使屏幕上所測的變化的摩擦力數(shù)值鎖定不便；

(5)返回/退線按鍵：該按鍵兼具“返回”與“退線”功能。在“模式選擇”和“實驗?zāi)Ｊ健边M(jìn)行時為“退線”(電機(jī)反轉(zhuǎn)，將纏繞在繞線輪上的牽引線退出)功能；在其余情況下為“返回”(取消)功能；

(6)選擇/結(jié)束按鍵：該按鍵兼具“選擇”與“結(jié)束”功能。在“模式選擇”界面時為“選擇”，可以在“實驗?zāi)Ｊ健边x項與“測量模式”選項之中切換(星號代表選中)；在“實驗?zāi)Ｊ健边M(jìn)行時以及“測量模式”得出結(jié)果界面為“結(jié)束”功能,此時按下該鍵將返回到“模式選擇”界面；

(7)電機(jī)按鍵：該按鍵用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，只有在“實驗?zāi)Ｊ健惫δ芟虏庞行?，按下該鍵電機(jī)轉(zhuǎn)動，松開該鍵則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；

(8)亮度調(diào)節(jié)旋鈕：該滑動變阻器用于調(diào)節(jié)屏幕亮度，順時針旋轉(zhuǎn)亮度增大，逆時針旋轉(zhuǎn)亮度減??；

(9)復(fù)位按鍵：該按鍵用于復(fù)位(重啟)該無線控制端，僅在控制端死機(jī)、出現(xiàn)異常情況時使用；

(10)開關(guān)按鍵：電源開關(guān)，用于控制電路的接通與斷開；

(11)電源指示燈：當(dāng)電源接通時，該指示燈亮起；

(12)電機(jī)指示燈：當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，該指示燈亮起；

(13)無線指示燈：當(dāng)無線工作時，該指示燈亮起，閃爍頻率代表傳輸速度。

所述的測量端和顯示控制端由NRF24L01無線收發(fā)模塊進(jìn)行通信，無線傳輸顯示及控制，方便讀數(shù)。同時作為教學(xué)用具時，老師可將測量端放在講臺上，手持顯示控制端到臺下為同學(xué)們講解，方便學(xué)生觀看測量數(shù)據(jù)，老師也可以讓學(xué)生在自己的座位上親自動手操作。

下面介紹摩擦力及摩擦系數(shù)實驗與測量裝置的測量原理：

如圖3所示，本發(fā)明主要包括顯示控制端和測量端兩部分，期中顯示控制端用于顯示測量數(shù)據(jù)以及控制測量端進(jìn)行相應(yīng)動作，同時它還有分析計算來自測量端發(fā)送的測量數(shù)據(jù)。測量端主要是用來測量最大靜摩擦力、滑動摩擦力和壓力等數(shù)據(jù)，然后將測量的數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示控制端。

在介紹本發(fā)明的具體原理之前先來了解下，本發(fā)明的一些核心知識。

電阻應(yīng)變式傳感器又叫拉力傳感器，隸屬于稱重傳感器系列，是一種將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置，其結(jié)構(gòu)含有力敏器件和兩個拉力傳遞部分，在力敏器件中含有壓電片和壓電片墊片，壓電片墊片含有基板部分和邊緣傳力部分，其特征是使兩個拉力傳遞部分的兩端分別固定在一起，用兩端之間的橫向作用面將力敏器件夾緊，壓電片墊片在一側(cè)壓在壓電片的中心區(qū)域，基板部分位于壓電片另一側(cè)與邊緣傳力部分之間并緊貼壓電片，其用途之一是制成鉤秤以取代桿枰。.

電阻應(yīng)變式傳感器工作原理：彈性體(彈性元件和敏感梁)在外作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流)，從而完成了將外力變換為電信號的過程.機(jī)械應(yīng)變的微小應(yīng)變通過測量電阻值的微小變化，通過專用的測量電路把電阻相對變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，我們用的而是基于直流電橋的電路原理。

圖6給出直流電橋的電路圖，其中R₁、R₂、R₃和R₄為電橋的橋臂，R_L為其負(fù)載.橋路中相鄰兩臂阻值之比應(yīng)相等則電橋平衡，負(fù)載R_L沒有電流.測量電路中，應(yīng)變片來替代第一橋臂R₁，如果有微小應(yīng)變，則引起電阻的微小變化，通過加入放大器來測量電橋輸出電壓的變化，電壓的變化即對應(yīng)著壓力的變化。

應(yīng)變式的拉力傳感器在直接電壓激勵條件下,輸出的信號是毫伏級的電壓信號,這個信號在特定的條件下(固定的傳感器靈敏度S、固定的供電電壓E)與受到的有效拉力成正比.假設(shè)一個拉力傳感器的額定載荷為F,靈敏度為S,在供電電壓E的激勵下,無載荷的時候零點輸出為U₀,在一個有效拉力f作用下,輸出電壓信號為U_f,則有效拉力f可以表示為：

如圖7所示，在本發(fā)明進(jìn)行摩擦力測量的過程中，被測物體共受到四個力，它們分別是在垂直方向上的被測物體所受的重力G和承載板對被測物體的支持力N，它們倆恒是大小相等方向相反，是一對平衡力，合力為零。在水平方向上為直流電機(jī)對提供的牽引力F和被測物體所受的摩擦力f,牽引力F和摩擦力f大小是否相等取決于被測物體的運動狀態(tài)。當(dāng)被測物體的加速度為零即其在勻速運動時，根據(jù)牛頓運動定律可知牽引力的大小就是被測量物體的摩擦力的大小。所以本發(fā)明的關(guān)鍵在于如何讓被測物體保持勻速運動，為此本發(fā)明使用了PID算法。

增強(qiáng)型51單片機(jī)中利用了PID控制算法，PID控制器是一種線性控制器，它將給定值與實際輸出值的偏差e(t)的比例、積分和微分進(jìn)行線性組合，形成控制量u(t)輸出，圖5給出了PID控制器的流程圖.連續(xù)系統(tǒng)中PID控制器的傳遞函數(shù)為：

PID控制器的輸出電壓u(t)為：

其中，K_P為比例系數(shù)，T_i為積分時間常數(shù)，T_d為微分時間常數(shù)，e(t)為PID控制器的輸入，u(t)為PID控制器的輸出。物體勻速運動時電壓u(t)保持不變，電機(jī)拉動細(xì)繩力的大小就是式(1)中有效拉力f，有效拉力f通過拉力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過24位AD轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，精確計算出拉力值，即為摩擦力的值。

所述的牽引力自適應(yīng)且恒等于摩擦力，由增強(qiáng)型51單片機(jī)、超聲波測速傳感器和直流電機(jī)驅(qū)動共同完成。增強(qiáng)型51單片機(jī)中的PID算法根據(jù)超聲波測速傳感器測得的速度，與預(yù)設(shè)速度進(jìn)行比較，然后調(diào)節(jié)直流電機(jī)驅(qū)動的輸出占空比，進(jìn)而使得直流電機(jī)勻速運動，從而保證其所提供的牽引力自適應(yīng)且恒等于摩擦力。

本發(fā)明的具體工作原理是：在測量端和顯示控制端分別啟動后，操作人員通過顯示控制端發(fā)送測量指令給測量端，測量端通過電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ測得被測物體的壓力值，通過超聲波傳感器利用PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動的PWM從而使得被測物體勻速運動，此時電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ測得的拉力值即為摩擦力的值，經(jīng)過24位AD轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)被測物體運動到指定位置時，紅外光電傳感器會發(fā)送信號給單片機(jī)，此時結(jié)束測量，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給顯示控制端。顯示控制端將接收到的數(shù)據(jù)分析計算得出最后的測量結(jié)果，得出測量結(jié)果后蜂鳴器會“嘀”得提示響一聲，然后將結(jié)果通過液晶顯示屏予以顯示。

摩擦力及摩擦系數(shù)實驗與測量裝置的操作說明：

如圖4所示，為本發(fā)明的測量過程流程圖，

第一步，首先連接好接收端所有器件(超聲波傳感器、紅外光電傳感器、無線模塊等)，打開接收端電源以及遙控端電源。

第二步，開機(jī)后系統(tǒng)自檢，若有異常，提示錯誤信息，若無異常，進(jìn)入“模式選擇”；“模式選擇”下包含“實驗?zāi)Ｊ健焙汀皽y量模式”。

“實驗?zāi)Ｊ健敝坏贸鲈紨?shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)需要學(xué)生自己計算得出，這樣學(xué)生能真正體會到實驗的樂趣，學(xué)習(xí)到相關(guān)的知識?！皽y量模式”直接精確得出所有數(shù)據(jù)，帶有分析繪圖功能，可用于學(xué)生核對實驗結(jié)果，或者用于商業(yè)摩擦系數(shù)的快速準(zhǔn)確測定。

以下將分兩種模式分步詳細(xì)說明其測量方法：

(1)實驗?zāi)Ｊ?/p>

1)按下“選擇”鍵選中“實驗?zāi)Ｊ健?，接著按下“確定”鍵；

2)這時將進(jìn)入“質(zhì)量測量”界面，同時稱重指示燈亮起，將所測物體放到稱重盤，待數(shù)值穩(wěn)定后按下“導(dǎo)入”；

3)此時進(jìn)入“確認(rèn)導(dǎo)入界面”，如果對所測質(zhì)量沒有質(zhì)疑，則按下“確認(rèn)”鍵；

4)稍等幾秒后，質(zhì)量被導(dǎo)入到系統(tǒng)中，出現(xiàn)“是否開始”確認(rèn)界面。如果準(zhǔn)備好要開始則按下“確認(rèn)”鍵；

5)此時將會進(jìn)入“實驗?zāi)Ｊ健?，無線指示燈會以非常快得頻率閃爍，這說明此時信息將會通過無線進(jìn)行高速傳遞。按下“電機(jī)”按鍵，電機(jī)指示燈亮起，電機(jī)轉(zhuǎn)動，屏幕端將會顯示實時所測摩擦力。由于物體表面本身存在的不均勻性，所測摩擦力數(shù)值可能會一直跳動，此時可按下“鎖定”按鍵，拉力值將被鎖定，便于記錄數(shù)值；

6)實驗完畢后，如果還要繼續(xù)進(jìn)行實驗測量，可按下“退線”按鍵，當(dāng)繞線退出后方可再次實驗；

7)當(dāng)一次實驗完畢后，如果想結(jié)束實驗，或者進(jìn)行“測量模式”，可按下“結(jié)束”按鍵，返回到“模式選擇”界面。

(1)測量模式

1)按下“選擇”鍵選中“測量模式”，接著按下“確定”按鍵；

2)這時將進(jìn)入“壓力測量”界面；同時接收端稱重指示燈亮起，將所測物體放到稱重盤，待數(shù)值穩(wěn)定后按下“導(dǎo)入”按鍵(該系統(tǒng)取重力加速度值g＝9.8N/kg)；

3)此時進(jìn)入“確認(rèn)導(dǎo)入界面”，如果對所測壓力沒有質(zhì)疑，則按下“確認(rèn)”按鍵；

4)稍等幾秒后，壓力被導(dǎo)入到系統(tǒng)中，出現(xiàn)“是否開始”確認(rèn)界面，如果準(zhǔn)備好要開始則按下“確認(rèn)”按鍵；

5)此時將會進(jìn)入“測量模式”，無線指示燈會以非?？斓妙l率閃爍，這說明此時無線將會進(jìn)行高速傳遞。同時電機(jī)指示燈亮起，電機(jī)轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)自動進(jìn)行測量。屏幕端將會顯示“正在測量，請稍后……”的提示；

6)當(dāng)聽到“嘀”的一聲提示后，系統(tǒng)則測量計算完畢，此時屏幕端將會顯示所測最大靜摩擦力、滑動摩擦力以及摩擦系數(shù)；

7)當(dāng)一次實驗完畢后，如果想結(jié)束實驗，或者再次進(jìn)行“測量模式”，可按下“結(jié)束”按鍵，返回到“模式選擇”界面。

在測量模式下，還包括“分析繪圖”選項，選擇“分析繪圖”選項后，可以選擇在液晶顯示屏上顯示摩擦力隨時間變化的圖像、摩擦力隨壓力變化的圖像或摩擦力隨拉力變化的圖像。

4.摩擦力及摩擦系數(shù)實驗與測量裝置的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)

(1)測量摩擦力精度：0.01N；

(2)測量摩擦系數(shù)精度：0.01；

(3)測量物體質(zhì)量精度：0.001Kg；

(4)系統(tǒng)響應(yīng)時間：<＝0.04s；

(5)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移率：<＝0.013r/min；

(6)電機(jī)最大提供牽引力：15N；

(7)電阻應(yīng)變式傳感器Ⅱ(拉力)最大量程：30N；

(8)電阻應(yīng)變式傳感器Ⅰ(壓力)最大量程：50N；

(9)無線傳輸距離：15M；

(10)工作溫度：-35℃至85℃。

以上所述結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式和實施例作了詳述，但是本發(fā)明并不局限于上述實施方式和實施例，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出其它若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。