[发明专利]接触‑摩擦力与接触电荷同步测量装置及方法

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力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移动平台控制箱控制上试样相对下试样之间的法向载荷、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。