CN101008606A - 接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量接触表面真实接触面积和粘着效应的装置，包括直流电动机、测量实验台支架、拉力传感器、上试样和球铰支下试样、放大电路、模数转换卡和计算机；所述直流电动机通过细绳、固定在支架的定滑轮依次与拉力传感器、上试样相连接；所述下试样铰支固定在支架的底座上；所述拉力传感器与放大电路、模数转换卡、计算机依次连接，电信号经放大后输入模数转换卡，再输入计算机，利用计算机中的数据采集程序实现微小拉力变化的数据采集。本发明适用于摩擦理论研究中接触表面的真实接触面积和粘着效应测量。

Description

接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及摩擦学理论研究领域中接触表面真实接触面积和粘着效应的测量技术领域，尤其是涉及一种测量接触表面的真实接触面积和粘着效应的装置及其测量方法。
背景技术
当两个固体表面接触时，由于表面粗糙，实际接触只发生在表观面积的极小部分上。实际接触面积的大小和分布对于摩擦磨损起着决定性的影响。在摩擦学研究中，接触表面的真实接触面积和粘着效应测量问题一直是人们所关注的问题，真实接触面积和表面接触状态是分析摩擦磨损和润滑问题的基础，使摩擦学机理研究能够更深入地探索微观本质。
目前对真实接触面积和粘着效应的研究主要处于理论研究阶段，多数研究是通过建立表面接触模型，然后进行数值计算分析，在实验研究方面则相对较少，取得的突破很有限。现在，直接测量接触表面的真实接触面积方面也有一些思路和方法：例如采用超声显微镜配以其它辅助试验装置测量接触表面的真实接触面积，研究表明声显微镜技术是测量真实接触面积的一种可行方法，但要将其作为一种定量测量手段却还有待于进一步的研究和完善；另外光全反射法也是测量真实接触面积的常用手段，然而用其测得的接触图像小，接触斑点的边界模糊，并且只能用在透光材料的接触中。另外，在粘着效应测量方面目前还没有相关报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量精度较高、简单实用经济、可以满足摩擦学机理实验研究需求的测量接触表面真实接触面积和粘着效应的装置和方法。该测量系统利用匀速转动的小直流电动机驱动试样提升，使两接触平面垂直分离，通过连接到计算机的传感器进行采样，测量分离前后的载荷变化，从而得到真实接触面积和粘着效应的影响。
本发明的另一个目的是提供一种上述装置的测量方法。
一种接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置，包括测量实验台支架、上试样、下试样、分离驱动装置和测力装置；所述测力装置包括拉力传感器和数据采集装置，所述数据采集装置包括模数转换卡和计算机；
其中，所述分离驱动装置通过细绳、固定在测量实验台支架的定滑轮依次与拉力传感器、上试样相连接；所述下试样固定在测量实验台支架的底座上；所述拉力传感器与模数转换卡、计算机依次连接。
所述测量实验台支架为悬臂式支架；驱动装置为直流电动机或交流电动机，并且安装在隔振垫上，可以减小电机振动对数据采集的干扰；所述下试样与底座之间采用球形铰链连接，使上下试样完全接触；所述电信号通过模数转换卡的转换，由计算机中的数据采集程序实现数据采集。
上述装置用于测量接触表面真实接触面积和粘着效应的方法，包括以下步骤：
(1)电动机通过拉动细绳，通过固定在支架的定滑轮和拉力传感器，将上试样提起；
(2)分离前后的载荷通过拉力传感器产生电信号，输入模数转换卡，再输入计算机，利用计算机中的数据采集程序实现微小拉力变化的数据采集，从而实现对真实接触面积以及粘着效应的大小的求得。
与现有的技术相比较，本发明的有益效果是：
(1)容易区别接触表面间的主要作用力，通过测量同样大小的金属材料接触以及非金属材料接触表面的作用力，就可以判别占主导地位的是大气压力还是粘着力；
(2)通过调节好的细绳和试样上专门设计的用于提升的小孔以及用于支撑下试样的球形铰链，可以确保试样表面之间接触良好，在提升过程中上试样保持水平；
(3)通过分离过程拉力的变化，得到真实接触面积和粘着效应，从而验证现有摩擦学理论中，以真实接触面积和粘着理论建立的摩擦定理合理性。
附图说明
图1是本发明测量装置示意图；
图2是图1中连接的数据采集装置结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明装置包括隔振垫1、电动机2、细绳3、定滑轮4、支架5、拉力传感器6、上试样8、下试样9、球形铰链10和数据采集装置。其中，数据采集装置包括放大电路11、模数转换卡12、计算机13和导线7。
工作原理是：当上试样和下试样表面接触良好后，启动电动机2，在细绳3的带动下，通过固定在支架5的定滑轮4及拉力传感器6将上试样8匀速缓慢提升，通过连接到细绳的拉力传感器6即时感应细绳上的拉力变化，这个拉力变化值将传输到数据采集装置。下试样9固定在支架的底座上，为保证两试样表面能够垂直分离，下试样的支撑采用了球铰链10。电动机2安装在隔振垫1上，消除电动机振动对实验结果的影响。分离前后的载荷通过拉力传感器产生电信号，经放大后输入模数转换卡12，再输入计算机13，利用计算机中的数据采集程序实现微小拉力变化的数据采集。
实际测量时，首先调整好上试样8的重心，保证其水平，然后下放使其与下试样9稳定接触(此时细绳3拉力达到最小)，然后启动直流电动机2带动上试样8提升，在上试样8离开下试样9的过程中，拉力值会发生较大变化，这些变化值会通过拉力传感器6即时传输出电信号，并通过放大电路11和模数转换卡12以及数据采集程序即时在计算机13中完成采样。通过采集到的拉伸过程中整个细绳的拉力变化，就可以计算得到一种材料粗糙度下的真实接触面积或粘着效应。一组测量完成后，再换另外一组不同的试样进行测量。

Claims (5)

1、一种接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置，其特征在于，包括测量实验台支架、上试样、下试样、分离驱动装置和测力装置；所述测力装置包括拉力传感器和数据采集装置，所述数据采集装置包括模数转换卡和计算机；其中
所述分离驱动装置通过细绳、固定在测量实验台支架的定滑轮依次与拉力传感器、上试样相连接；所述下试样固定在测量实验台支架的底座上；所述拉力传感器与模数转换卡、计算机依次连接。
2、根据权利要求1所述的接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置，其特征在于，所述测量实验台支架为悬臂式支架。
3、根据权利要求1所述的接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置，其特征在于，所述分离驱动装置为直流电动机或交流电动机，安装在隔振垫上。
4、根据权利要求1所述的接触表面真实接触面积和粘着效应测量装置，其特征在于，所述下试样与底座之间采用球形铰链连接。
5、一种权利要求1～4所述装置的用于测量接触表面真实接触面积和粘着效应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电动机通过拉动细绳，通过固定在支架的定滑轮和拉力传感器，将上试样提起；
(2)分离前后的载荷通过拉力传感器产生电信号，输入模数转换卡，再输入计算机，利用计算机中的数据采集程序实现微小拉力变化的数据采集，从而得到真实接触面积以及粘着效应的大小。
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