CN101526462A

CN101526462A - 便携式摩擦系数测试方法及系统

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Publication number: CN101526462A
Application number: CN200910030778A
Authority: CN
Inventors: 戴振东; 李宏凯; 樊鸣鸣; 弓娟琴
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: CN101526462B

Abstract

一种便携式摩擦系数测试方法及系统，属于摩擦系数的测试技术领域。该方法是、采用力传感器同步测试摩擦测试头经过测试表面的法向力和摩擦力，并实时显示；利用隔膜材料覆于被测试表面一段距离的前后两段，将被测表面沿摩擦测试头运动轨迹方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段，由于在被测试表面形成高度差或材料的显著不同，引起摩擦力和法向力的显著变化；考虑到运动速度的连续性和待测表面距离较短，认为在该段距离上速度没有变化，以此计算速度。该方法可用于大型工件、不规则表面和生物表面摩擦系数的测试，并实现设备的便携性。

Description

便携式摩擦系数测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种摩擦系数的测试方法，具体地说涉及一种便携式摩擦系数测试方法和系统。

技术背景

摩擦系数是评价表面间相互力学作用的重要指标，该指标对很多机械设备的性能，甚至安全性均有重要影响，如汽车车轮和地面间的摩擦对汽车运动的稳定性，汽车和火车的刹车盘和刹车片间的摩擦系数对车辆的安全性。在日常生活中，摩擦的影响也十分重要，如鞋垫和鞋子间、鞋垫和袜子间的摩擦系数不当，会经常导致鞋垫滑出；地板与鞋底间摩擦不够会导致行人跌倒，从而造成身体的伤害。

经典摩擦理论认为，摩擦系数仅和摩擦副材料，表面状态及所处环境有关。随着各种新材料，特别是粘弹性材料的广泛应用及人们对生物材料摩擦性能的关注，影响摩擦系数的因素也被更加深入的研究。最新研究表明，摩擦系数可能还受到法向力、相对运动的方式(直线、转动)、摩擦副的接触形式、速度等因素的影响。

摩擦系数测定的经典方法是斜面法，调节斜面的角度到置于面上的物体开始滑移，该角度的正切为摩擦系数。目前测定摩擦系数多采用摩擦实验机，如美国的Flax、CETR，德国的SRV，我国试金集团的产品。这些试验机均为大型固定式试验机。近年来，针对各种具体的需求，不少专用的摩擦系数的测定系统器相继研制。

如中国专利皮肤摩擦特性专用测试装置(CN2805689)、橡胶轮与纸张摩擦系数测试系统(CN2187791)、测量表面静和/或动摩擦系数(CN1717580)、纤维材料摩擦系数测试系统(CN85201646)、连续式路面摩擦系数测试方法(CN101109695)。美国专利7404316，刹车副定子和转子间摩擦系数的测试方法；美国专利7117716流体阻力和滚动的动态摩擦测试系统。

上述摩擦系数测试方法，多为固定式装备，摩擦副与被测表面间的运动比较固定，对于大型工件、复杂表面和生物表面等存在装夹和测试等问题。

发明内容

针对以上技术背景，本发明提供了一种便携式、可用于大型工件、不规则表面和生物表面摩擦系数的测试方法及系统。

一种便携式摩擦系数测试的方法，其特征在于：采用力传感器同步测试摩擦测试头经过测试表面的法向力和摩擦力，并实时显示；利用隔膜材料覆于被测试表面一段距离的前后两段，将被测表面沿摩擦测试头运动轨迹方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段，由于在被测试表面形成高度差或材料的显著不同，引起摩擦力和法向力的显著变化；测试时，使摩擦测试头依次经过第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段，利用传感器测的法向力和摩擦力的变化，确定摩擦测试头在未覆隔膜材料的待测表面段通过的时间，考虑到运动速度的连续性和待测表面距离较短，认为在该段距离上速度没有变化，以此计算速度。

用有限元分析二维力传感器法向方向和侧向双向的线性变形范围，并设置保护装置，与传感器的变形方向保留预置间隙，使其在法向变形范围内不被过载而损坏。为保证所施加的法向力与传感器的对应测力分析一致，在机架上设置了滚动的导向轮，导向轮的运动方向与传感器测定切向力的方向一致。

一种便携式摩擦系数测试系统，包括摩擦测试头、用于测试摩擦测试头法向力和摩擦力大小的力传感器、与力传感器相连的计算处理系统、还包括贴于被测试表面的隔膜材料覆于被测试表面一段距离的前后两段，在被测试表面形成高度差或明显材料变化，将被测试表面延摩擦测试头运动轨迹方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段。具体为：

所述的隔膜材料为中段镂空的隔膜材料。

在上位机软件中设计了摩擦力和法向力的表盘显示。

在上位机软件中设计了速度数值显示。

传感器在法向力和测力方向均有机械保护装置，并在上位机软件中用特殊颜色标示出表盘指针的指示范围。

为保证所施加的法向力与传感器的对应测力分析一致，在机架上设置了3-4个滚动的导向轮，导向轮的运动方向与传感器测定切向力的方向一致。

其中的数据经USB接口传输至计算机，进行显示、分析和存储，测试系统的力测试电桥和数据采集处理模块等由USB接口供电，也可由电池供电。

基于上述核心技术，本发明可提供多种不同的摩擦系数测试系统。(1)将上述测试系统获得的法向力、摩擦力和通过特定长度所花费的时间输入到计算机，在计算机中计算获得摩擦系数，速度等结果。(2)将上述系统改为电池供电，系统添加一个液晶显示部分，测试结果(摩擦系数，速度，法向力和摩擦力等)直接显示。测试数据可以存储在该系统内，在需要时连接的到计算机做进一步的分析。

附图说明

图1为本发明便携式摩擦测试系统示意图。

图2(a)为本发明感器系统及其传感器保护结构正视图。

图2(b)为本发明感器系统及其传感器保护结构俯视图。

图3为本发明信号采集与处理流程。

图4(a)为本发明测试结果：额头自然状态下摩擦系数与滑动速度的关系。

图4(b)为本发明测试结果：额头用护肤品后摩擦系数与滑动速度的关系。

图中标号名称：1、力传感器，2、法向限位保护挡块，3、摩擦测试头，4、切向限位保护台阶，5、连接螺钉，6、侧向间隙，7、法向间隙，8、隔膜，9、滚轮，10、运动轨迹，11、被测表面，12、USB电缆，13、计算机。

具体实施方法

表面间摩擦系数测定的核心是在一定的法向力、相对速度、表面接触形式和材料配对情况下，测定表面间的切向力。为此，本发明提出的测试方法包含了以下主要环节：(1)采用二维力传感器同步测定测试系统探头相对测试对象运动中的法向力和摩擦力。(2)表面间的相对运动有实验者手臂的运动提供，速度的大小在试验机的速度检测环节显示，供测试者下次试验时调节运动速度。(3)表面间的法向力由实验者手臂提供，所施加的法向力实时显示，供实验者及时调整所加的力。(4)为保证所施加的法向力与传感器的对应测力分析一致，我们在机架上设置了3-4个滚动的导向轮，导向轮的运动方向与传感器测定切向力的方向一致。

如图1及图2所示，本实施例所涉及的便携式摩擦系数测试系统有以下几个部分组成：用于测定法向力和摩擦力的二维力传感器1，通过连接螺钉5固定在法向限位保护挡块2上；保护传感器避免过载破坏的切向限位保护台阶4和法向限位保护挡块2以及形成的法向间隙7和侧向间隙6；与传感器固联的摩擦测试头3，摩擦测试头的材料和形状根据测试对象的不同可以更换；被测表面的隔膜8；4个滚轮9用于引导摩擦系数测试系统的运动方向；传感器的应变信号的放大、采集和传输有置于机匣内的USB信号采集处理系统完成，采集器与计算机13通过USB电缆相连。摩擦实验数据的进一步处理，摩擦系数的计算，数据的曲线显示、表盘指示，数据的存储，以及测试过程中的计时，计算运动速度等可在计算机12内完成。摩擦系数的结果也可在测试系统上直接显示。

利用本发明的手持便携式摩擦实验系统，可以直接在不规则测试对象的表面进行摩擦系数的测定。操作简单，使用方面。

下面结合附图对本发明一种摩擦系数测试方法和便携式摩擦测试系统进行详细描述。

图1中的摩擦系数测试系统中封装了传感器，传感器保护模块，信号处理、采集和传输模块。通过USB连接线连接至电脑(台式或者笔记本等)。上位机软件安装在电脑中，进行数据的处理。本发明中利用USB接口给摩擦测试系统供电。

在某些情况下，摩擦系数测试过程中速度的是必须考虑的因素，因此，本发明提供了一种方法。图1中隔膜8为单面有粘性的材料制成，中间有一段固定长度和宽度的矩形缺口，缺口的尺寸根据具体实验条件和需要确定(一般宽5-15mm，长10-40mm)。实验前粘性面贴于被侧对象，传感器探头沿图1的传感器轨迹，从隔膜到被测表面，再到隔膜表面，测得数据，有数据处理模块分析并显示，或者传输至计算机中进行下一步的分析。

考虑到该测试系统的运动和法向力由测试者的手提供，为防止传感器过载，设计中采用了传感器的法向和侧向双向保护装置。通过有限元分析得出传感器在线性变形区域的变形量，通过在各个受力方向设置挡块防止传感器的变形超出其自身的范围。在传感器的压力方向，零位时其固定端固定在固定座上，根据有限元分析的结果，在其压力方向上，安装了法向限位保护挡块2，挡块与传感器间的间隙7为传感器在压力方向的线性变形区域。在摩擦力的两个方向同样根据传感器的线性变形区固定台阶4。因此传感器在受力的三个变形方向，实现了传感器的过载损坏。

本发明中，传感器信号到计算机的主要流程如图3所。从二维力传感器输出的信号首先经过数据调理模块，经调理变成适合AD采集器转换范围之内的信号，AD采集模块进行模数转换，之后通过USB模块传输至计算机，由计算机进行进一步的处理。

图3中传感器信号为摩擦系数测试系统在力传感器输出的两对分别代表压力和摩擦力的差模信号，该信号为传感器输出的原始信号。

图3中信号调理模块包括信号放大和信号调整模块。两路传感器输出信号通过放大器进行放大，放大的倍数由AD采集器中AD模块的功能确定。摩擦力信号是双极信号，而本发明中用到的AD采集器为单极性输入，因此其摩擦力信号的放大倍数需要根据AD采集器的模拟输入范围和信号调理模块共同决定。在本发明中，摩擦力信号在两个相反方向的输出是对称的，放大器的放大倍数为压力信号放大倍数的一半。为了使摩擦力输出信号范围调整到AD采集器的模拟输入信号范围之内，给摩擦力信号提供一个正极偏移点位，使输出的负向的摩擦力输出信号提升到正值，适合AD采集器的信号采集范围。本发明为摩擦力信号提供一个大小与摩擦力负信号的幅值相等的正电位。经调理模块后，摩擦力信号在两个方向的变化范围内的输出值都在AD采集器的模拟输入信号范围之内。

图3中的AD转换中所用的AD芯片是16位精度，摩擦系数测试中信号属于低频信号，本发明中，AD的采样速率控制在300-500Hz之间。AD远远满足了摩擦系数测试的需求。AD的控制由系统中的MCU负责。实现数据的转换和数据传输。

图3中的数据传输模块，由于本发明中控制了采样速率，数据量不大，因此本发明中采用的了USB-UART桥电路进行数据的传输，该电路实现了串口到USB接口的转换，使摩擦实验系统具有了USB设备所具有的功能。同时USB为整个系统，包括电路模块和传感器模块提供电源。

图3中的数据显示，分析和处理模块是指计算机中客户软件的功能。在该软件中，用波器视窗实现了摩擦力和压力的实时变化曲线。摩擦力和压力的表盘指示。表盘中用黄色区域标识出传感器接近现行最大值区域，用指针指示数据的变化。

客户软件中，根据采集到的压力和摩擦力的值自动计算出摩擦系数，对于压力为零的数值，其对应的摩擦系数值用字母指示为无效数值。

客户软件中，随实验的启动以毫秒为单位开始计时，在实验结束时，可以根据压力数据的变化斜率找出运动的总时间，并计算出摩擦系数测定时的平均速度，并以数字形式显示，作为摩擦系数的一项参考值。，并提示操作者在下次实验中根据需要适当调整运动速度。

客户软件中的数据存储功能保存了摩擦测试过程中的时间，压力，摩擦力和摩擦系数。

客户软件中，实现了对插入计算机设备的自动识别。在本发明中，通过程序直接识别插入计算机的设备所在的端口号，不需要每次使用时查找设备所在的端口号，实现了USB设备的热插拔功能。

本发明进行了实验验证：选取60名年龄在20-30岁的健康男女志愿者，其中两类人群男女均各占一半。整个试验的过程是在十月中旬完成，试验期间的环境温度在18℃-24℃，湿度为45％-55％之间。受试皮肤选择前额。与皮肤接触的探头选用直径为φ8mm的不锈钢半球，接触载荷为0-2N，采用平移滑动摩擦方式。受测部位选定纸是内有1cm×3cm方孔的不干胶贴纸，试验时通过方孔选定受测部位，探头从不干胶贴纸的一端沿着方孔滑到另一端。借助在滑行中对应数值的变化和软件记录的当时时刻可以求取测试过程中探头滑行的平均速度。在摩擦特性试验中，不同志愿者测试部位施加的接触正压力、滑行速度均为随机。

测试结果如图5所示，图5(a)额头自然状态下摩擦系数与滑动速度的关系；图5

(b)额头用护肤品后摩擦系数与滑动速度的关系；可见，在接触压力为0.2-2N，滑行速度为10-60mm/S范围内时，护肤品处理前后的皮肤摩擦系数均与施加的接触压力、滑行速度无关联。此情况下，包括水合状况、油脂集中程度、弹性模量、纹理特性在内的皮肤特性的差异导致了受测者皮肤摩擦系数的差异。

Claims

1、一种便携式摩擦系数测试方法，其特征在于：

(1)、采用力传感器同步测试摩擦测试头经过待测表面的法向力和摩擦力，并实时显示；

(2)、利用隔膜材料覆于被测试表面一段距离的前后两段，将被测表面沿摩擦测试头运动轨迹方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段，由于在被测试表面形成高度差或材料的显著不同，引起摩擦力和法向力的显著变化；

(3)、测试时，使摩擦测试头依次经过第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段，利用传感器测的法向力和摩擦力的变化，确定摩擦测试头在未覆隔膜材料的待测表面段通过的时间，考虑到运动速度的连续性和待测表面距离较短，认为在该段距离上速度没有变化，以此计算速度。

2、根据权利要求1所述的便携式摩擦系数测试方法，其特征在于：用有限元分析二维力传感器法向方向的线性变形范围，并设置保护装置，与传感器的法向保留预置间隙，使其在法向变形范围内不被过载而损坏。

3、根据权利要求1所述的便携式摩擦系数测试方法，其特征在于：用有限元分析二维力传感器侧向双向的线性变形范围，并设置保护装置，与传感器的侧向保留预置间隙，使其在法向变形范围内不被过载而损坏。

4、根据权利要求1所述的便携式摩擦系数测试方法，其特征在于：为保证所施加的法向力与传感器的对应测力分析一致，设置导向轮，导向轮的运动方向与传感器测定切向力的方向一致。

5、一种便携式摩擦系数测试系统，其特征在于：

包括摩擦测试头(3)、用于测试摩擦测试头法向力和摩擦力大小的力传感器(1)、与力传感器相连的计算处理系统(12)、还包括贴于被测试表面(11)的隔膜材料(8)，该隔膜材料覆于被测试表面一段距离的前后两段，在被测试表面形成高度差或明显材料变化，将被测试表面延摩擦测试头运动轨迹方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待测表面段、第二段隔膜材料段。

6、根据权利要求5所述的便携式摩擦系数测试系统，其特征在于：所述的隔膜材料为中段镂空的隔膜材料。

7、根据权利要求5所述的便携式摩擦系数测试系统，其特征在于：该系统还包括法向力显示、摩擦力显示、速度显示。

8、根据权利要求5所述的手持便携式摩擦系数测试系统，其特征在于：传感器在测力方向均有机械保护装置和上位机软件过载指示。

9、根据权利要求5所述的手持便携式摩擦系数测试系统，其特征在于：该系统设置了3-4个滚动的导向轮(9)，导向轮的运动方向与传感器测定切向力的方向一致。

10、根据权利要求5所述的手持便携式摩擦系数测试系统，其特征在于：该系统数据经USB接口传输至计算机，进行显示、分析和存储，测试系统的力测试电桥和数据采集处理模块等由USB接口供电，或由电池供电。