接觸-摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于力和電量同步測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種接觸一摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置及方法。
技術(shù)背景
[0002]電是靜止或移動(dòng)的電荷所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，在大自然里，有許多人們熟知的電效應(yīng)，例如閃電、摩擦起電、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等等。以電能作為動(dòng)力的能源推動(dòng)了人類社會(huì)的巨大變革。摩擦致電是電學(xué)研宄的開始，人們已知不同材料摩擦帶電的強(qiáng)度、帶電正負(fù)，但摩擦參數(shù)(力、相對(duì)速度、接觸面狀態(tài)等)對(duì)摩擦致電的影響還不夠了解。本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種接觸力-摩擦力和摩擦致電的同步測(cè)試系統(tǒng)，為認(rèn)識(shí)固體間的摩擦致電規(guī)律提供研宄手段。
[0003]已有摩擦致電研宄發(fā)現(xiàn):摩擦電量與接觸面積正相關(guān)，摩擦電與摩擦速度無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明接觸壓力會(huì)影響接觸面電荷轉(zhuǎn)移的概率，接觸一摩擦的頻率、相對(duì)滑移距離等因素的作用機(jī)制還不清楚。
[0004]要研宄接觸一摩擦作用力、接觸一摩擦頻率和滑移距離、接觸面實(shí)際接觸狀況等因素對(duì)接觸一摩擦致電的影響，就需要準(zhǔn)確、同步地實(shí)驗(yàn)測(cè)量該類參數(shù)下對(duì)應(yīng)的接觸電荷。盡管人們已經(jīng)成熟的掌握了接觸一摩擦力的測(cè)量方法，并探索了一些行之有效的電荷測(cè)量技術(shù)，然而，迄今為止還沒(méi)有一種能夠同步測(cè)量固體間接觸一摩擦力和相應(yīng)電荷量的方法和相應(yīng)的設(shè)備。通常的方法是將接觸參數(shù)和電荷結(jié)果分開測(cè)量，即在接觸和摩擦過(guò)程中先測(cè)量接觸力、接觸頻率和滑移距離等參數(shù)，然后利用電荷測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量電荷。理論上只要兩次測(cè)量的時(shí)間足夠短，電荷散失足夠小，那么測(cè)量的結(jié)果在一定程度上是可信的。在真實(shí)操作中這種方法是不可取的，首先，分開測(cè)量的操作極為困難；其次，兩次測(cè)量的時(shí)間不可能做到足夠短，時(shí)間滯后性和在測(cè)量轉(zhuǎn)移過(guò)程中待測(cè)物體與空氣等介質(zhì)的相互作用會(huì)使待測(cè)物體上的電荷耗散，造成測(cè)量失真，誤差難以確定。這對(duì)研宄固體間接觸一摩擦力與其摩擦致電之間的定量關(guān)系是極為不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種可以同步測(cè)量固體間接觸一摩擦力和摩擦致電量的測(cè)量裝置及方法。
[0006]一種接觸一摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置，其特征在于:
該接觸一摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置包括基座、安裝于基座上的底板；還包括兩個(gè)水平共線布置的多維力傳感器；兩個(gè)多維力傳感器的外側(cè)一端各通過(guò)傳感器安裝臺(tái)固定于所述底板上，兩個(gè)多維力傳感器的內(nèi)側(cè)一端通過(guò)法拉第筒夾緊裝置夾緊一法拉第筒；兩個(gè)多維力傳感器形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)；法拉第筒由金屬外筒和內(nèi)筒組成，兩者之間通過(guò)絕緣層固定；上述法拉第筒內(nèi)安裝有一載物臺(tái)，下試樣通過(guò)夾緊結(jié)構(gòu)或部件安裝在載物臺(tái)頂面上；該接觸一摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置還包括通過(guò)三維移動(dòng)平臺(tái)安裝于基座上的上夾具安裝臺(tái)，上試樣通過(guò)上夾具安裝在上夾具安裝臺(tái)下端；
該接觸一摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置還包括數(shù)字電荷儀、移動(dòng)平臺(tái)控制箱、力信號(hào)調(diào)理器、控制終端；
上述法拉第筒的外筒接地，內(nèi)筒通過(guò)數(shù)字電荷儀與控制終端的第一信號(hào)采集端相連；上述多維力傳感器通過(guò)力信號(hào)調(diào)理器與控制終端的第二信號(hào)采集端相連；上述控制終端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)控制箱與三維移動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)輸入端相連。
[0007]利用上述接觸一摩擦力與接觸電荷同步測(cè)量裝置進(jìn)行同步測(cè)量的方法，其特征在于包括以下過(guò)程:
通過(guò)控制終端驅(qū)動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)使上下試樣達(dá)到臨界接觸位置，所述臨界接觸位置時(shí)多維力傳感器剛好能夠測(cè)到力；
試驗(yàn)初始化時(shí)對(duì)控制終端中的力信號(hào)采集程序、電荷信號(hào)采集程序清零后并開始記錄;
試驗(yàn)時(shí)利用控制終端和三維平臺(tái)控制箱控制上試樣塊相對(duì)下試樣塊之間的法向載荷、滑移速度、滑移距離、滑移頻率，進(jìn)行試驗(yàn)；
在實(shí)驗(yàn)完畢后，在控制終端上分別對(duì)力學(xué)數(shù)據(jù)和電學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0008]相較于傳統(tǒng)測(cè)量方法，本發(fā)明將力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在硬件和軟件方面均進(jìn)行了集成處理。在硬件上將用于力學(xué)測(cè)量的多維力傳感器和用于電學(xué)測(cè)量的法拉第筒通過(guò)夾緊裝置連接成一個(gè)整體，使法拉第筒除了展示自身電荷測(cè)量的功能外，還起到了傳遞力的作用。通過(guò)這樣的集成處理，將材料的摩擦過(guò)程和電荷測(cè)量過(guò)程能夠同時(shí)、同地完成。這不經(jīng)避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法中因測(cè)量裝置不同而不得不進(jìn)行的式樣轉(zhuǎn)移所帶來(lái)的電荷耗散，還避免了轉(zhuǎn)移試樣的繁瑣過(guò)程。在軟件上，將力學(xué)信號(hào)采集軟件和電學(xué)信號(hào)采集軟件合二為一，真正實(shí)現(xiàn)了兩種信號(hào)的同步采集、顯示和分析。通過(guò)在控制終端上對(duì)三維移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定，可以完成不同摩擦學(xué)參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的每個(gè)多維力傳感器均具有測(cè)量水平和豎直方向力的能力，最終的測(cè)量結(jié)果通過(guò)電橋并聯(lián)后輸出。一般力學(xué)傳感器往往易受到載荷偏心力矩的影響而降低了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本發(fā)明中采用兩個(gè)多維力傳感器結(jié)構(gòu)上的并聯(lián)消除了載荷偏心的影響。測(cè)量電橋的并聯(lián)提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。
[0009]上述載物臺(tái)包括上部的圓臺(tái)和下部的支柱；圓臺(tái)的頂面上設(shè)計(jì)了下試樣夾具；圓臺(tái)通過(guò)十字形槽分割成四個(gè)等尺寸的扇形，圓臺(tái)中心為錐形槽；錐形槽的底部為螺紋孔，螺紋孔貫穿支柱；錐形槽內(nèi)嵌有錐形塊，通過(guò)螺栓固定。
[0010]這種設(shè)計(jì)一方面減輕了載物臺(tái)的重量，另一方面易于與法拉第筒的內(nèi)壁配合。擰緊第二螺栓時(shí)錐形塊外緣擠壓錐形槽使圓臺(tái)發(fā)生徑向彈性變形，外廓尺寸增大后與法拉第筒內(nèi)壁形成過(guò)盈配合。反之，放松第二螺栓可以消除圓臺(tái)的徑向彈性變形，方便載物臺(tái)從法拉第筒內(nèi)部取出。下端支撐桿與法拉第筒內(nèi)壁底部接觸后是載物臺(tái)在不能豎直方向上因受壓而活動(dòng)，進(jìn)一步保證了連接的穩(wěn)定。此外還可以在支撐桿下端螺紋孔內(nèi)擰入螺栓來(lái)調(diào)節(jié)載物臺(tái)的高度。
[0011]上述法拉第筒夾緊裝置為環(huán)形結(jié)構(gòu)；其主體部分是一對(duì)完全相同的半圓環(huán)組成的環(huán)形，圓環(huán)的內(nèi)壁上均布有若干個(gè)半徑為半圓環(huán)厚度一半的小凹槽；半圓環(huán)的兩端由兩個(gè)完全共面的豎直耳片，耳片上鉆通孔；兩個(gè)半圓環(huán)通過(guò)第一螺栓夾緊；半圓環(huán)中面外側(cè)也布置了一個(gè)水平耳片，用于連接傳感器。
[0012]通過(guò)環(huán)形結(jié)構(gòu)來(lái)夾緊法拉第筒一方面簡(jiǎn)單易操作，另一方面增加了法拉第筒的剛度和載荷傳遞能力；對(duì)稱結(jié)構(gòu)在夾緊使耳片的共線度得到了保證。圓環(huán)內(nèi)壁上的小凹槽一方面使圓環(huán)的局部剛度降低，更易于貼合法拉第筒外壁形狀，另外一方面增加了法拉第筒外壁與圓環(huán)內(nèi)壁之間的摩擦性能，使夾緊過(guò)程更牢靠。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中載物臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1中法拉第筒夾緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是工作流程不意圖；
圖中標(biāo)號(hào)名稱:1.基座；2.三維移動(dòng)平臺(tái)；3.電機(jī)；4.底板；5.力傳感器安裝臺(tái)；6.多維力傳感器；7.法拉第筒夾緊裝置；7-1.半圓環(huán)；7-2.小凹槽；7-3.豎直耳片；7-4.第一螺栓；7-5水平耳片；8.法拉第筒；9.絕緣層；10.上夾具安裝臺(tái)；11.上夾具；12.上試樣；13.下試樣；14.載物臺(tái)；14-1.圓臺(tái)；14-2.支柱；14_3.錐形塊；14_4.第二螺栓；14_5.下試樣夾具固定螺孔；15.數(shù)字電荷儀；16.;17.力信號(hào)調(diào)理器；18.控制終端。
[0014]具體實(shí)施過(guò)程
本發(fā)明是一種同步測(cè)量