接触-摩擦力与接触电荷同步测量装置及方法

摘要

本发明涉及一种接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置及方法，属于用于力和电量同步测量技术领域。本发明将法拉第筒与测力传感器连接组成一个同步触发的测量系统，而固体间的接触—摩擦过程在法拉第筒内部完成。接触—摩擦力可以通过力传感器测量得到，相应的接触电荷则通过法拉第筒测量得到。本发明可实现测量固体材料之间的接触—摩擦力与接触电荷，适用于固体材料接触与摩擦致电的同步分析场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于力和电量同步测量技术，具体涉及一种接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置及方法。

技术背景

电是静止或移动的电荷所产生的物理现象，在大自然里，有许多人们熟知的电效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等。以电能作为动力的能源推动了人类社会的巨大变革。摩擦致电是电学研究的开始，人们已知不同材料摩擦带电的强度、带电正负，但摩擦参数（力、相对速度、接触面状态等）对摩擦致电的影响还不够了解。本发明的目标是提出一种接触力-摩擦力和摩擦致电的同步测试系统，为认识固体间的摩擦致电规律提供研究手段。

已有摩擦致电研究发现：摩擦电量与接触面积正相关，摩擦电与摩擦速度无关。实验表明接触压力会影响接触面电荷转移的概率，接触—摩擦的频率、相对滑移距离等因素的作用机制还不清楚。

要研究接触—摩擦作用力、接触—摩擦频率和滑移距离、接触面实际接触状况等因素对接触—摩擦致电的影响，就需要准确、同步地实验测量该类参数下对应的接触电荷。尽管人们已经成熟的掌握了接触—摩擦力的测量方法，并探索了一些行之有效的电荷测量技术，然而，迄今为止还没有一种能够同步测量固体间接触—摩擦力和相应电荷量的方法和相应的设备。通常的方法是将接触参数和电荷结果分开测量，即在接触和摩擦过程中先测量接触力、接触频率和滑移距离等参数，然后利用电荷测量系统来测量电荷。理论上只要两次测量的时间足够短，电荷散失足够小，那么测量的结果在一定程度上是可信的。在真实操作中这种方法是不可取的，首先，分开测量的操作极为困难；其次，两次测量的时间不可能做到足够短，时间滞后性和在测量转移过程中待测物体与空气等介质的相互作用会使待测物体上的电荷耗散，造成测量失真，误差难以确定。这对研究固体间接触—摩擦力与其摩擦致电之间的定量关系是极为不利的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以同步测量固体间接触—摩擦力和摩擦致电量的测量装置及方法。

一种接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置，其特征在于：

该接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置包括基座、安装于基座上的底板；还包括两个水平共线布置的多维力传感器；两个多维力传感器的外侧一端各通过传感器安装台固定于所述底板上，两个多维力传感器的内侧一端通过法拉第筒夹紧装置夹紧一法拉第筒；两个多维力传感器形成并联结构；法拉第筒由金属外筒和内筒组成，两者之间通过绝缘层固定；上述法拉第筒内安装有一载物台，下试样通过夹紧结构或部件安装在载物台顶面上；该接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置还包括通过三维移动平台安装于基座上的上夹具安装台，上试样通过上夹具安装在上夹具安装台下端；

该接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置还包括数字电荷仪、移动平台控制箱、力信号调理器、控制终端；

上述法拉第筒的外筒接地，内筒通过数字电荷仪与控制终端的第一信号采集端相连；上述多维力传感器通过力信号调理器与控制终端的第二信号采集端相连；上述控制终端的驱动信号输出端通过移动平台控制箱与三维移动平台的驱动电机的信号输入端相连。

利用上述接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置进行同步测量的方法，其特征在于包括以下过程：

通过控制终端驱动三维移动平台使上下试样达到临界接触位置，所述临界接触位置时多维力传感器刚好能够测到力；

试验初始化时对控制终端中的力信号采集程序、电荷信号采集程序清零后并开始记录；

试验时利用控制终端和三维平台控制箱控制上试样块相对下试样块之间的法向载荷、滑移速度、滑移距离、滑移频率，进行试验；

在实验完毕后，在控制终端上分别对力学数据和电学数据进行处理。

相较于传统测量方法，本发明将力学测量系统和电学测量系统在硬件和软件方面均进行了集成处理。在硬件上将用于力学测量的多维力传感器和用于电学测量的法拉第筒通过夹紧装置连接成一个整体，使法拉第筒除了展示自身电荷测量的功能外，还起到了传递力的作用。通过这样的集成处理，将材料的摩擦过程和电荷测量过程能够同时、同地完成。这不经避免了传统测量方法中因测量装置不同而不得不进行的式样转移所带来的电荷耗散，还避免了转移试样的繁琐过程。在软件上，将力学信号采集软件和电学信号采集软件合二为一，真正实现了两种信号的同步采集、显示和分析。通过在控制终端上对三维移动平台运动参数的设定，可以完成不同摩擦学参数影响的实验。本发明的每个多维力传感器均具有测量水平和竖直方向力的能力，最终的测量结果通过电桥并联后输出。一般力学传感器往往易受到载荷偏心力矩的影响而降低了测量结果的准确性，本发明中采用两个多维力传感器结构上的并联消除了载荷偏心的影响。测量电桥的并联提高了测量的准确度。

上述载物台包括上部的圆台和下部的支柱；圆台的顶面上设计了下试样夹具；圆台通过十字形槽分割成四个等尺寸的扇形，圆台中心为锥形槽；锥形槽的底部为螺纹孔，螺纹孔贯穿支柱；锥形槽内嵌有锥形块，通过螺栓固定。

这种设计一方面减轻了载物台的重量，另一方面易于与法拉第筒的内壁配合。拧紧第二螺栓时锥形块外缘挤压锥形槽使圆台发生径向弹性变形，外廓尺寸增大后与法拉第筒内壁形成过盈配合。反之，放松第二螺栓可以消除圆台的径向弹性变形，方便载物台从法拉第筒内部取出。下端支撑杆与法拉第筒内壁底部接触后是载物台在不能竖直方向上因受压而活动，进一步保证了连接的稳定。此外还可以在支撑杆下端螺纹孔内拧入螺栓来调节载物台的高度。

上述法拉第筒夹紧装置为环形结构；其主体部分是一对完全相同的半圆环组成的环形，圆环的内壁上均布有若干个半径为半圆环厚度一半的小凹槽；半圆环的两端由两个完全共面的竖直耳片，耳片上钻通孔；两个半圆环通过第一螺栓夹紧；半圆环中面外侧也布置了一个水平耳片，用于连接传感器。

通过环形结构来夹紧法拉第筒一方面简单易操作，另一方面增加了法拉第筒的刚度和载荷传递能力；对称结构在夹紧使耳片的共线度得到了保证。圆环内壁上的小凹槽一方面使圆环的局部刚度降低，更易于贴合法拉第筒外壁形状，另外一方面增加了法拉第筒外壁与圆环内壁之间的摩擦性能，使夹紧过程更牢靠。

附图说明

图1是本发明硬件结构示意图；

图2是图1中载物台结构示意图；

图3是图1中法拉第筒夹紧环结构示意图；

图4是工作流程示意图；

图中标号名称：1.基座；2.三维移动平台；3.电机；4.底板；5.力传感器安装台；6.多维力传感器；7.法拉第筒夹紧装置；7-1.半圆环；7-2.小凹槽；7-3.竖直耳片；7-4.第一螺栓；7-5水平耳片；8.法拉第筒；9.绝缘层；10.上夹具安装台；11.上夹具；12.上试样；13.下试样；14.载物台；14-1.圆台；14-2.支柱；14-3.锥形块；14-4.第二螺栓；14-5.下试样夹具固定螺孔；15.数字电荷仪；16. ；17.力信号调理器；18.控制终端。

具体实施过程

本发明是一种同步测量接触—摩擦因素与摩擦电量的方法和相应的实现装置，下面结合附图详细阐述本发明的实施方式。

如图1所示，该接触—摩擦力与接触电荷同步测量装置包括基座1、安装于基座1上的底板4；两个水平共线布置的多维力传感器6；两个多维力传感器的外侧一端各通过传感器安装台5固定于所述底板4上，两个多维力传感器的内侧一端通过法拉第筒夹紧装置7夹紧一法拉第筒；法拉第筒8内安装有一载物台14，下试样13通过夹紧结构或部件安装在载物台14顶面上；三维移动平台2安装于基座1上，上夹具安装台10安装在三维移动平台的一个滑块上；上试样12通过上夹具11安装在上夹具安装台10下端；法拉第筒8的外筒接地，内筒通过数字电荷仪15与控制终端18的第一信号采集端相连；上述多维力传感器6通过力信号调理器17与控制终端18的第二信号采集端相连；上述控制终端18的驱动信号输出端通过移动平台控制箱16与三维移动平台2的电机3的信号输入端相连。

在控制终端18通过控制程序的触发信号通过移动平台控制箱16来驱动电机3进而控制三维移动平台2的空间活动。下试样13通过夹具安装在位于法拉第筒8内部的载物台上。三维移动平台带动通过上夹具安装台10及上夹具11连接的上试样12相对于下试样13运动。它们之间的接触作用力通过载物台14、由法拉第筒8和夹紧装置7传递到多维力传感器6上。多维力传感器6为高精度电阻应变式力传感器，通过结构和电桥的并联可以有效的消除由于接触载荷作用位置不同带来的影响，能够准确的测量得到试样间的接触作用力。多维力传感器6上测量得到的力信号通过力信号调理器17调理后发送至控制终端18显示并存储。在控制终端18上可以设定三维移动台2的活动参数，如位移、速率和方向等。

电量测量由法拉第筒8和数字电荷仪15完成，法拉第筒8由内外两层相互不接触的金属壳构成，内层金属壳的高度略小于外层金属，用于产生感应电荷；外层金属壳接地后对内筒形成电磁屏蔽，避免外界对法拉第内筒造成干扰；两层金属壳之间通过电阻为10¹⁴Ω以上的绝缘材料如聚四氟乙烯连接；试样的接触—摩擦过程在法拉第筒内部进行时产生的电荷由会在法拉第筒内壁上实时产生等量的感应电荷，这字儿感应电荷通过数字电荷仪15读出。控制终端18上的采集软件可将数字电荷仪15读出的电荷量采集并存储到控制终端18中。

控制终端18集三维移动台控制、数据存储显示、同步控制为一体。该装置开始工作后，通过控制终端18来控制试样之间的相对运动，并同步采集力学数据和电量数据。将力学信号电压信号和电荷数据信号电压信号接入到同一个采集程序的不同通道中即可实现同步采集。

工作过程

该系统的工作过程如图4所示，首先分别启动各个装置，通过控制终端18调节三维移动平台2移动以方便试样装夹；然后根据实验需求选择合适的夹具并装夹试样；通过控制终端18驱动三维移动平台2使上下试样达到临界接触的位置；在控制终端18上设定好下压距离、滑移速度、滑移距离等参数后将力电采集系统初始化清零后开始采集数据；驱动电机3使上下试样接触并发生摩擦。控制终端18中的采集程序将同步的采集记录摩擦接触过程中的作用力和相应的电荷。

在实验完毕后，在控制终端18上可分别对力学数据和电学数据进行处理。此发明可用于固体间相互摩擦的接触—摩擦力和摩擦致电电量的同步测量，适用于接触摩擦电测量分析。