[发明专利]多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种多维接触力及真实接触面积的同步测试系统及方法，属于测试技术领域。包括可转动的支撑平台，支撑平台上安装若干个接触力及真实接触面积测量单元；所述接触力及真实接触面积测量单元包括力采集装置、图像采集装置、透光承力薄片和光源，所述透光承力薄片固定在力采集装置顶部，图像采集装置固定在透光承力薄片下方，视觉方向与透光承力薄片相对垂直设置；所述光源紧贴设置在透光承力薄片的侧面；所述力采集装置和图像采集装置分别连接控制单元。本发明可用于同步测试固体间动态接触过程中真实接触力和真实接触面积的变化，适用于物体多点接触、黏附接触研究，特别适用于黏附动物运动过程中的黏附和接触研究。

技术领域

本发明涉及一种同步测试系统及方法，具体讲是一种多维接触力及真实接触面积的同步测试系统及方法，属于接触力和真实接触面积同步测试技术领域。

背景技术

接触是自然界中最普遍，最频繁的物理现象。同时，接触过程又是一个高度非线性的物理过程，至今还不能被人们透彻、完整认知。几个世纪以前，人们就已经认识到接触力和接触面积之间应当存在一定的关系。1882年，德国科学家Hertz首次对弹性体的接触进行了分析，提出了弹性接触理论，并根据该理论给出了几种典型弹性接触模型(球-球，球-板，柱-柱，柱-板)及其接触面积计算公式。该模型的适用前提是各向同性材料在理想光滑、无摩擦条件下的完全弹性接触，而对粗糙的弹塑性接触则无能为力。1966年，Greenwood和Williamson提出了第一个粗糙表面和光滑表面的弹性接触模型。他们的模型指出：接触微体的数量、实际接触面积与载荷之间存在线性关系。该模型在完全弹性接触的情况下与实际吻合的较好。然而在实际接触中材料的变形往往是弹性变形和塑性变形的混合。1987年，Change，Etsion和Bogy引入了微凸体塑性变形体积守恒原理，并借鉴前人成果，提出了用于分析粗糙表面接触的弹塑性模型(CEB模型)。2000年，Y.Zhao，D.M.Maiette和L.Chang等人给出了一种包含弹性变形、弹塑性变形和塑性变形三种状态下粗糙表面的接触模型(ZMC模型)。另一方面，研究表明物体间的接触不仅仅只会产生排斥力，还会产生吸引力(即黏附力)。1971年，Johnson等人提出了第一个考虑黏附效应的接触模型。1975年，Derjaguin等人建立了另一个著名的黏附接触模型—DMT模型。1992年，Maugis等人建立了近球体黏附接触的解析理论模型(M-D模型)。随后，他们又进一步发展了DMT模型来研究接触黏附问题。从所有这些经典接触模型来看，接触力(排斥力和黏附力)和真实接触面积之间存在一定的关系。

作为对理论模型的验证，通过实验对物体之间的接触力和真实接触面积进行测定是不可或缺的过程。为了测量昆虫(例如蚂蚁)与其附着表面的接触面积，Gorb和Federle等人利用了一种间接测量法—他们首先使昆虫与干净的载玻片接触后分离，然后通过显微镜观察载玻片上残留的痕迹来估算接触面积。华南理工大学黄平等人提出一种通过试样分离前后拉力变化来推算接触面积的方法。但上述方法无法同步获取接触的作用力和真实接触面积。

固体间的黏附接触问题仍然是当前的研究热点和难点之一，同步地测量固体间的接触作用力和真实接触面积十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能够准确、动态、同步测试固体多维接触力和真实接触面积的测试系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，包括可转动的支撑平台；所述支撑平台上安装若干个接触力及真实接触面积测量单元；所述接触力及真实接触面积测量单元包括力采集装置、图像采集装置、透光承力薄片和光源，所述透光承力薄片固定在力采集装置顶部，图像采集装置固定在透光承力薄片下方，视觉方向与透光承力薄片相对垂直设置；所述光源紧贴设置在透光承力薄片的侧面；所述力采集装置和图像采集装置分别连接控制单元。

本发明中，所述接触力及真实接触面积测量单元为多个，多个接触力及真实接触面积测量单元呈两排并列设置，多个接触力及真实接触面积测量单元的顶端平齐。