CN113848179B - 一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置，该实验装置包括固定架、施力件、连接杆、第一激振器、基座、数据采集器、摩擦纳米发电机与弹性件；基座的顶部固定安装有固定架；被测下试件固定安装于基座的顶面，被测上试件置于被测下试件的顶面；施力件置于被测上试件顶面；弹性件一端固定连接于被测上试件的一侧表面，另一端通过连接杆与第一激振器的输出端固定连接；摩擦纳米发电机固定安装于被测上试件和被测下试件的一侧表面；数据采集器与摩擦纳米发电机电连接。上述实验装置具有使用简单，无需外接能源便可测量接触物体之间的相对滑移或分离运动的优点。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置。
背景技术
在机械装备中有很多依靠摩擦接触的连接结构，这些结构在受载情况下，相互连接的零件可能会产生相对运动，例如螺栓连接在受到长时间振动载荷的情况下，容易产生滑移和松动。另外，在协调接触的连接结构中，接触区会随载荷的增大而减小，发生接触退缩现象，比如密封垫片在受到的压力过大时，局部会产生形变分离的现象，导致装置密封性变差，容易产生泄露。
这种接触面间的早期滑移或分离的位移往往是微小的，而且接触界面之间既不方便安装传感器，也不适合采用如电涡流、激光等无接触的方式进行位移测量。目前应用较广的如扫描探针显微镜测量法、电容法和光栅干涉法等，存在需要复杂仪器或者测量方式复杂等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置，该装置基于摩擦纳米发电机原理，能将接触面之间的相对运动产生的机械能转化为电信号输出，进而对电信号分析可得出接触面之间相对运动的位移和速度。
本发明采用以下具体技术方案：
一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置，包括固定架、施力件、连接杆、第一激振器、基座、数据采集器、摩擦纳米发电机与弹性件；
所述基座的顶部固定安装有所述固定架，并在所述固定架与所述基座之间形成实验空间；
所述固定架设置有用于对所述施力件进行竖直导向的导向结构；
所述实验空间内容置有被测上试件和被测下试件，所述被测下试件固定安装于所述基座的顶面，所述被测上试件置于所述被测下试件的顶面；
所述施力件通过所述导向结构置于所述被测上试件顶面，用于对所述被测上试件施加沿竖直方向的法向载荷；
所述弹性件一端固定连接于所述被测上试件的一侧表面，另一端通过沿水平方向设置的所述连接杆与所述第一激振器的输出端固定连接，所述第一激振器用于对所述被测件提供沿水平方向的切向载荷；
所述摩擦纳米发电机固定安装于所述被测上试件和被测下试件，用于在所述被测上试件的带动下产生电信号；
所述数据采集器与所述摩擦纳米发电机电连接，用于采集所述摩擦纳米发电机产生的电信号。
进一步地，所述摩擦纳米发电机包括第一基板、第二基板、第一导电层、第二导电层、正摩擦层以及负摩擦层；
所述第一基板与所述第二基板沿竖直方向相对设置，所述第一基板固定连接于所述被测上试件的一侧表面，所述第二基板固定连接于所述被测下试件的一侧表面；
沿所述第一基板朝向所述第二基板的方向，所述第一基板、所述第一导电层和所述正摩擦层依次层叠设置，所述负摩擦层、所述第二导电层和所述第二基板依次层叠设置；
所述正摩擦层与所述负摩擦层紧密贴合，并随所述被测上试件与所述被测下试件的相对运动产生电荷；
所述第一基板与所述第二基板均为绝缘材料制成；
所述正摩擦层为易失电子材料制成；
所述负摩擦层为易得电子材料制成；
所述第一导电层通过第一导线与数据采集器连接；
所述第二导电层通过第二导线与数据采集器连接。
进一步地，所述第一基板与所述第二基板均采用亚克力材料制成；
所述第一导电层与所述第二导电层均为金属层；
所述正摩擦层的材料为聚酰胺、聚甲醛和聚氨酯中的一种或者任意组合；
所述负摩擦层的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或者任意组合。
进一步地，所述正摩擦层与所述负摩擦层的表面均刻蚀有纳米结构；
所述第一基板和所述第二基板均为L形亚克力板。
进一步地，所述导向结构为开口；
所述被测上试件为平板；
所述被测下试件为带凸台的平板；
所述被测上试件的下表面与所述凸台的顶面贴合。
进一步地，所述施力件与所述被测上试件相接触的一端的形状为球形、半圆柱形或长方形，用于对所述被测上试件施加点载荷、线载荷和面载荷。
进一步地，上述该实验装置还包括置于所述施力件顶部的砝码，所述砝码用于调节法向载荷。
进一步地，所述弹性件为弹簧；
所述被测下试件夹紧于所述固定架和所述基座之间，并通过紧固件将所述基座、所述固定架和所述被测下试件固定连接在一起。
进一步地，在所述施力件的下端面和所述被测上试件的顶面均涂有润滑材料。
进一步地，上述实验装置还包括与所述施力件连接的第二激振器；
所述第二激振器为所述被测上试件提供竖直方向动态变化的法向载荷。
有益效果：
一方面，在本发明的实验装置中，将体积小巧的摩擦纳米发电机通过粘贴等方式固定在被测件的侧面，克服了传统接触式传感器在测量这类接触面之间的相对位移时不方便测量的问题；摩擦纳米发电机采用亚克力板作为基板，价格低廉，材料易得，将基板形状制作成L形，使得纳米摩擦发电机更加容易粘贴在被测件的侧面；摩擦纳米发电机采用铝或铜等金属薄膜作导电层，材料易得且具有良好的导电性，提高了实验装置的测量精度；摩擦纳米发电机的正负摩擦层表面刻蚀有如纳米沟和纳米线的纳米结构，增强了摩擦起电效应的强度，进一步提升了实验装置的测量灵敏度与测量精度；激振器间接与被测上试件连接，可为被测件提供水平方向稳定可靠的动态切向力；刚度较小的弹簧的一端与被测上试件固定连接，另一端与连接杆固定连接，使得激振器对被测上试件只有力的作用而没有位移的作用，提高了实验装置测量结果的准确性；施力件与被测上试件接触的一端可制作成平面、半圆柱形或圆形，可为被测上试件提供面载荷、线载荷或点载荷，同时，在施力件的顶部可以放置不同质量的砝码以调节被测上试件所受沿竖直方向的法向力的大小，扩宽了实验装置测量范围。
另一方面，上述测量接触面件滑移或分离的实验装置，在施力件与被测上试件之间涂有润滑物质，减小了施力件与被测上试件之间的摩擦力，提高了实验装置的精度；另还增设有与施力件连接的第二激振器，使得施力件作用于接触面的法向力既可以是静态力也可以是动态力，进一扩宽了实验装置的实验范围。整个实验装置结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明的实验装置的正视图；
图2为图1中实验装置的俯视图；
图3为图1中A向视图；
图4为图1中摩擦纳米发电机的结构示意图。
其中，1-固定架，2-施力件，3-砝码，4-连接杆，5-第一激振器，6-被测下试件，7-基座，8-数据采集器，9-摩擦纳米发电机，10-被测上试件，11-螺钉，12-弹性件，13-基板，14-导电层，15-正摩擦层，16-导线，17-负摩擦层
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述：
本发明实施例提供了一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置，如图1所示，该实验装置包括：固定架1、施力件2、连接杆4、第一激振器5、基座7、数据采集器8、摩擦纳米发电机9以及弹性件12；
如图1所示，基座7是整个实验装置的基础，起到支撑实验装置其它零部件的作用，用螺钉11将固定架1固定安装在基座7的顶部，固定架1与基座7 之间形成了实验装置的实验空间，在该实验空间内可以容置被测上试件10和被测下试件6，为了能够更好地测量被测上试件10和被测下试件6之间的相对运动，可以将被测下试件6制作成带凸台的平板状，并将被测下试件6夹紧在固定架1和基座7之间后，用螺钉11固定连接于基座7的顶面；可以将被测上试件10制作成平板状，并置于被测下试件6的凸台的顶面，使被测上试件10的底面与被测下试件10的凸台顶面贴合；为了向被测上试件10提供沿竖直方向的法向力，应在被测上试件10的顶面放置施力件2，考虑到法向载荷的多样性，可以将施力件2与被测上试件10接触的一端形状设计成球状、半圆柱状或平面状，这样，施力件2可对被测上试件10施加点载荷、线载荷或面载荷，而且应在固定架1的顶部设置如导向套或导向口一类的导向结构，以使施力件2能够通过该导向结构对被测上试件10提供沿竖直方向的法向载荷，为使实验装置结构简单，如同2所示，选用固定架1顶部开口的导向结构；为给被测上试件10 提供沿水平方向的切向力，在被测上试件10的一侧固定安装有弹性件12，弹性件12的另一端通过沿水平方向设置的连接杆4与第一激振器5的输出端固定连接，由于设置有弹性件12，且其刚度远小于接触面的切向刚度，第一激振器5 只对被测上试件10提供沿水平方向的大小可调的切向载荷且对被测上试件10 无位移的作用，从而提高了实验装置测量结果的准确性；如图3和图4所示，为使被测上试件10和被测下试件6之间的相对运动产生的机械能转化为电信号，将摩擦纳米发电机9固定安装于被测上试件10和被测下试件6的一侧表面，并将数据采集器8与所述摩擦纳米发电机9通过导线16连接，用于采集所述摩擦纳米发电机产生的电信号；
如图4所示，摩擦纳米发电机9包括基板13、导电层14、正摩擦层15、负摩擦层17；其中基板13是摩擦纳米发电机9的基础，主要起支撑摩擦纳米发电机9的其它部件的作用；为保证摩擦纳米发电机9能源源不断产生电信号，基板13的材料应是绝缘的，如两基板可选用价格低廉、绝缘性好、来源广的亚克力板制作，在该实验装置中，基板13分为第一基板和第二基板，其中第一基板粘贴在被测上试件10的一侧表面，第二基板与第一基板沿竖直方向位置相对地粘贴在被测下试件10的一侧表面，为方便基板13的粘贴且保证基板13与被测下试件10和被测上试件10之间连接的可靠性，将第一基板和第二基板均制作成L形；导电层14的主要作用是导电，故其材料可以选用导电性良好的铝、铜或者其它金属材料，导电层14分为第一导电层和第二导电层，其中第一导电层铺设在第一基板朝向第二基板一侧的表面，并通过导线16与数据采集器8连接；第二导电层铺设在第二基板朝向第一基板一侧的表面，并通过导线16与数据采集器8连接；正摩擦层15和负摩擦层17的主要作用是摩擦起电，故正摩擦层 15选用聚酰胺、聚甲醛、聚氨酯等易失电子材料制成，如：可选用聚酰胺、聚甲醛或聚氨酯等单种材料制成，也可同时选用聚酰胺和聚甲醛、聚甲醛和聚氨酯、或者聚酰胺和聚氨酯等两种材料制成，还可同时选用聚酰胺、聚甲醛和聚氨酯三种材料制成；负摩擦层17选用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等易得电子材料制成，如可选用聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，也可选用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺三种材料同时制成，还可同时选用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺以及聚对苯二甲酸乙二醇酯四种材料制成，而且在正摩擦层15和负摩擦层17的表面均刻蚀有纳米结构，通过纳米结构可以提高摩擦纳米发电机9的摩擦起电效应的强度，增强实验装置测量的灵敏度；正摩擦层15 铺设在第一导电层朝向第二基板一侧的表面，负摩擦层17铺设在第二导电层朝向第一基板一侧的表面，并将摩擦纳米发电机9的最外层的正摩擦层15与负摩擦层17紧密贴合，这样，正摩擦层15和负摩擦层17可随被测上试件10与被测下试件6的相对运动而相互摩擦产生电信号，该电信号经导电层14和导线16 传送至数据采集器8，对该采集信号就行分析后就可以得出被测上试件10和被测下试件6的接触面之间的相对运动的位移和速度；
考虑到被测上试件10受沿竖直方向的法向力的大小，可以在施力件2的顶部放置不同质量的砝码3，这样可以通过调节砝码3的质量调节被测上试件10 所受沿竖直方向的法向力的大小，扩宽实验装置的测量范围；为提高本发明的实验装置的测量精度，在上述施力件2的下端面以及被测上试件10的顶面均涂有润滑脂，用以减小施力件2与被测上试件10之间的摩擦力；为使实验装置可以测量动态法向力作用下接触面之间的滑移或分离运动，可增设一台与施力件2 连接的第二激振器，从而通过第二激振器可以为被测上试件施加动态的法向载荷，以增强本发明的实验装置的实用性。
本发明的实验装置的正负摩擦层之间输出的电信号大小与接触面之间的相对滑移和相对分离的位移值大小有关，位移值越大，产生的电信号相应越大。以电压为例，电压与相对分离位移的关系如式(1)所示：
其中：VOC为开路电压；x为接触面间分离值；ε0为空气相对介电常数；σ为正负摩擦层分离后各自带上的电荷密度；
电压与滑移位移的关系如式(2)所示：
其中：VOC为开路电压；x为接触面间位移值；l为正负摩擦层长度，，且l>>x； d0为正负摩擦层有效厚度；ε0为空气相对介电常数；σ为正负摩擦层分离后各自带上的电荷密度；
令
则电压与位移的关系式可表示为：
VOC＝Aix(t) (3)
其中，i＝1，2。
使用本发明的实验装置时，关闭第一激振器5，使被测上试件10和被测下试件6之间沿竖直方向相对运动预定距离，读取数据采集器8的数据，进行标定，根据式(3)得出分离量与所测电学量之间的比值A1；
使被测件之间沿水平方向相对运动预定距离，读取数据采集器8的数据，进行标定，根据式(3)得出滑移量与所测电学量之间的比值A2；
当需测量静态力作用下接触面间分离时，关闭第一激振器5，通过调整砝码 3的质量改变法向载荷大小，使用不同形状的施力件2，以提供面载荷、线载荷、点载荷形式的法向载荷，读取数据采集器8的数据，由公式(1)分析得出不同载荷作用下被测上试件10和被测下试件6的接触面之间的相对分离位移，接着打开第一激振器5，使被测上试件10和被测下试件6的接触面发生相对滑移，读取数据采集器8的数据，由公式(2)分析得出发生部分分离，如被测上试件相对被测下试件一端翘起时的接触面之间的相对滑移位移；
当测量动态力作用下接触面间分离时，关闭第一激振器5，启动增设的第二激振器，通过第二激振器对被测上试件10施加沿竖直方向的法向载荷，使用不同形状的施力件2，以提供面载荷、线载荷、点载荷形式的法向载荷，读取数据采集器8的数据，由公式(1)分析得出不同载荷作用下被测上试件10和被测下试件6的接触面之间的相对分离位移，打开第一激振器5，使接触面发生相对滑移，读取数据采集器8的数据，由公式(2)分析得出分离的接触面之间的相对滑移位移；
当测量未分离的接触面间的滑移时，启动第一激振器5对被测上试件10提供水平方向的切向载荷，砝码3通过施力件2对被测上试件10提供沿竖直方向的法向载荷，调整激振器5的设定值改变水平方向切向载荷的大小，调整砝码3 质量改变沿竖直方向的法向载荷的大小，使用不同形状的施力件2，改变沿竖直方向的法向载荷形式，读取数据采集器8的数据，由公式(2)分析得出未分离的接触面之间的相对滑移位移。
上述实验装置：通过调整砝码3可改变法向载荷的大小；调节第一激振器5 的设定值可提供不同大小的切向载荷；读取数据采集器8的数据，可分析得出不同载荷作用下被测上试件10和被测下试件6接触面之间的相对位移。实验装置使用简单方便，可以测量不同接触载荷下的接触物体之间的相对滑移或分离运动，而且通过摩擦纳米发电机8将被测件之间的相对运动转换为电信号，无需外接能源。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量接触面之间滑移或分离运动的实验装置，其特征在于，包括固定架(1)、施力件(2)、连接杆(4)、第一激振器(5)、基座(7)、数据采集器(8)、摩擦纳米发电机(9)与弹性件(12)；
所述基座(7)的顶部固定安装有所述固定架(1)，并在所述固定架(1)与所述基座(7)之间形成实验空间；
所述固定架(1)设置有用于对所述施力件(2)进行竖直导向的导向结构；所述实验空间内容置有被测上试件(10)和被测下试件(6)，所述被测下试件(6)固定安装于所述基座(7)的顶面，所述被测上试件(10)置于所述被测下试件(6)的顶面；
所述施力件(2)通过所述导向结构置于所述被测上试件(10)顶面，用于对所述被测上试件(10)施加沿竖直方向的法向载荷；
所述弹性件(12)一端固定连接于所述被测上试件(10)的一侧表面，另一端通过沿水平方向设置的所述连接杆(4)与所述第一激振器(5)的输出端固定连接，所述第一激振器(5)用于对所述被测上试件(10)提供沿水平方向的切向载荷；
所述摩擦纳米发电机(9)固定安装于所述被测上试件(10)和所述被测下试件(6)的一侧表面，用于在所述被测上试件(10)与所述被测下试件(6)的带动下产生电信号；
所述数据采集器(8)与所述摩擦纳米发电机(9)电连接，用于采集所述摩擦纳米发电机(9)产生的电信号；
所述弹性件(12)为弹簧；
所述弹簧的刚度小于接触面的切向刚度。
2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机(9)包括第一基板、第二基板、第一导电层、第二导电层、正摩擦层(15)以及负摩擦层(17)；
所述第一基板与所述第二基板沿竖直方向相对设置，所述第一基板固定连接于所述被测上试件(10)的一侧表面，所述第二基板固定连接于所述被测下试件(6)的一侧表面；
沿所述第一基板朝向所述第二基板的方向，所述第一基板、所述第一导电层和所述正摩擦层(15)依次层叠设置，所述负摩擦层(17)、所述第二导电层和所述第二基板依次层叠设置；
所述正摩擦层(15)与所述负摩擦层(17)紧密贴合，并随所述被测上试件(10)与所述被测下试件(6)的相对运动产生电荷；
所述第一基板与所述第二基板均为绝缘材料制成；
所述正摩擦层(15)为易失电子材料制成；
所述负摩擦层(17)为易得电子材料制成；
所述第一导电层以及所述第二导电层均通过导线(16)与数据采集器(8)连接。
3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板均采用亚克力板制成；
所述第一导电层与所述第二导电层均为金属层；
所述正摩擦层(15)的材料为聚酰胺、聚甲醛和聚氨酯中的一种或者任意组合；
所述负摩擦层(17)的材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或者任意组合。
4.如权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述正摩擦层(15)与所述负摩擦层(17)的表面均刻蚀有纳米结构，可以增强所述摩擦纳米发电机(9)的摩擦起电效应的强度；
所述第一基板和所述第二基板均为L形亚克力板，方便粘贴。
5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述导向结构为开口；
所述被测上试件(10)为平板；
所述被测下试件(6)为带凸台的平板；
所述被测上试件(10)的下表面与所述凸台的顶面贴合。
6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述施力件(2)与所述被测上试件(10)相接触的一端的形状为球形、半圆柱形或长方形，用于对所述被测上试件(10)施加点载荷、线载荷或面载荷。
7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括置于所述施力件(2)顶部的砝码(3)，所述砝码(3)用于调节沿竖直方向的法向载荷。
8.如权利要求1所述的一种实验装置，其特征在于，
所述被测下试件(6)夹紧于所述固定架(1)和所述基座(7)之间，并通过紧固件将所述基座(7)、所述固定架(1)和所述被测下试件(6)固定连接在一起。
9.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，在所述施力件(2)的下端面和所述被测上试件(10)的顶面均涂有润滑物质。
10.如权利要求1、2、5、7-9中任一项所述的实验装置，其特征在于，还包括与所述施力件(2)连接的第二激振器；
所述第二激振器为所述被测上试件提供竖直方向动态变化的法向载荷。
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