CN102879658B - 一种球盘式摩擦电测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球盘式摩擦电测量装置，包括密闭容器，设在所述密闭容器外部的电荷仪、伺服电机控制器、和通过进气阀连通至密闭容器内部的氮气瓶，以及，设在所述密闭容器内部、且与伺服电机控制器电连接的动力机构，并行安装在所述动力机构上方的法拉第筒支架和水平移动机构，安装在所述法拉第筒支架上方、且与电荷仪电连接的法拉第筒，竖直安装在所述水平移动机构上方的竖直移动机构，水平设置、且与所述竖直移动机构配合安装的压头支架，和安装在所述压头支架左端下方的压头机构。本发明所述球盘式摩擦电测量装置，可以克服现有技术中无法测量球盘式摩擦带电量等缺陷，以实现能够测量球盘摩擦带电量、且测量精度高和应用范围广的优点。

Description

一种球盘式摩擦电测量装置

技术领域

本发明涉及摩擦带电测量技术领域，具体地，涉及一种球盘式摩擦电测量装置。

背景技术

摩擦带电已被人们广泛接受，尤其在风沙环境力学研究中，摩擦带电已经被学者承认为一种沙粒起电机理。

然而，圆球与转盘摩擦后产生电荷的主要影响因素是什么，带电量的主要规律是什么，因受测量仪器的制约目前没有统一的结果，因为，没有测量球盘式摩擦带电的仪器。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中无法测量球盘式摩擦带电量等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种球盘式摩擦电测量装置，以实现能够测量球盘摩擦带电量、且测量精度高和应用范围广的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种球盘式摩擦电测量装置，包括密闭容器，设在所述密闭容器外部的电荷仪、伺服电机控制器、和通过进气阀连通至密闭容器内部的氮气瓶，以及，

设在所述密闭容器内部、且与伺服电机控制器电连接的动力机构，并行安装在所述动力机构上方的法拉第筒支架和水平移动机构，安装在所述法拉第筒支架上方、且与电荷仪电连接的法拉第筒，竖直安装在所述水平移动机构上方的竖直移动机构，水平设置、且与所述竖直移动机构配合安装的压头支架，和安装在所述压头支架左端下方的压头机构。

进一步地，所述密闭容器，主要包括经过胶粘加工得到、且用于观测密闭容器内部状况的玻璃柜，安装在所述玻璃柜的壁面、且用于控制玻璃柜内部气体成分的进气阀和排气阀，以及粘贴在所述玻璃柜内壁面、且用于屏蔽外电场的铁纱。

进一步地，所述动力机构，包括伺服电机和支撑腿，通过联轴器安装在所述伺服电机上方的旋转组件，以及通过套筒安装在所述旋转组件和支撑腿之间的支撑组件；所述伺服电机驱动联轴器，通过联轴器传动，带动旋转组件连续转动。

进一步地，所述旋转组件，包括竖直设置、且通过联轴器与所述伺服电机的驱动端连接的轴，以及水平设置在所述轴上端的旋转盘。

进一步地，所述支撑组件，包括水平设置在所述支撑腿上端的第三支撑板，位于所述第三支撑板的上方、且通过六个套在螺柱上的套筒支撑并水平安装的第二支撑板，位于所述第二支撑板的上方、且通过四个套在螺柱上的套筒支撑并水平安装的第一支撑板，在第一支撑板中心处加工的轴承座上安装有角接触球轴承，以及在第二支撑板上与第一支撑板相对应的位置处加工的轴承座上安装有深沟球轴承；所述伺服电机固定安装在第三支撑板的下方；所述法拉第筒支架的底部，通过螺栓固定设置在第一支撑板上。

进一步地，在所述角接触球轴承和深沟球轴承上，分别设有用于防尘的轴承端盖。

进一步地，所述压头机构，包括竖直设置的压头筒，在所述压头筒内部放置有模具弹簧，在所述压头筒的中空筒口处安装有位于模具弹簧下端的压头支撑杆，在所述压头筒上旋紧有用于防止压头支撑杆掉出的压头筒螺母，在所述压头筒的下端部设有试件小球、以及用于配合将试件小球夹住的压头和压头螺母；

将所述压头通过压头上的螺杆，固定在压头支撑杆上；压头向固定设置的压头筒方向压入时，将模具弹簧压紧。

进一步地，在所述压头筒的中空筒口处开设有十字槽，所述压头支撑杆上具有与十字槽相匹配的十字键，压头支撑杆的十字键和压头筒的十字槽相配合插入压头筒内部；

在所述压头筒上部设有外螺纹，压头筒通过该外螺纹固定连接在压头支架上；压头支架通过螺钉，固定设置在竖直移动机构上。

进一步地，所述竖直移动机构，包括竖直并行设置的第一至二直线滑动支撑单元，竖直设置在所述第一至二直线滑动支撑单元之间的丝杆副，通过联轴器设置在所述丝杆副下方的涡轮蜗杆减速器，以及通过联轴器设置在所述涡轮蜗杆减速器横轴输出端、且位于密闭容器外部的手轮；

所述第一至二直线滑动支撑单元具有滑台，丝杆副具有螺母座；压头支架通过螺钉固定在第一至二直线滑动支撑单元的滑台和丝杆副的螺母座上；摇动手轮，通过涡轮蜗杆减速器带动丝杆副，使压头机构上下移动；在实验前，向下移动压头机构对旋转盘施加压力，实验后升起压头机构、并将压头机构移入法拉第筒内。

进一步地，所述水平移动机构，包括水平设置的第一至二直线滑动支撑单元，水平设置在第一至二直线滑动支撑单元之间的丝杆副，以及通过联轴器设置在丝杆副右端、且位于密闭容器外部的手轮；

所述第一至二直线滑动支撑单元具有滑台，丝杆副具有螺母座；竖直移动机构通过螺钉固定在直线滑动支撑单元的滑台和丝杆副的螺母座上；摇动手轮，带动丝杆副，使压头机构水平移动；在实验中，控制压头机构距动力机构中心的距离，待摩擦完成后将压头机构移入法拉第筒内，通过与法拉第筒相连的电荷仪，将压头机构上小球的电荷输出。

本发明各实施例的球盘式摩擦电测量装置，由于包括密闭容器，设在密闭容器外部的电荷仪、伺服电机控制器、和通过进气阀连通至密闭容器内部的氮气瓶，以及，设在密闭容器内部、且与伺服电机控制器电连接的动力机构，并行安装在动力机构上方的法拉第筒支架和水平移动机构，安装在法拉第筒支架上方、且与电荷仪电连接的法拉第筒，竖直安装在水平移动机构上方的竖直移动机构，水平设置、且与竖直移动机构配合安装的压头支架，和安装在压头支架左端下方的压头机构；可以对球盘摩擦带电量进行实验测量，为微电现象的观测奠定了基础；从而可以克服现有技术中无法测量球盘式摩擦带电量的缺陷，以实现能够测量球盘摩擦带电量、且测量精度高和应用范围广的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明球盘式摩擦电测量装置的主视结构示意图；

图2为本发明球盘式摩擦电测量装置的俯视结构示意图；

图3为本发明球盘式摩擦电测量装置中动力机构的半剖结构示意图；

图4为本发明球盘式摩擦电测量装置中压头机构的半剖结构示意图；

图5为本发明球盘式摩擦电测量装置中竖直移动机构的结构示意图；

图6为本发明球盘式摩擦电测量装置中水平移动机构的结构示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-动力机构；101-旋转盘；102-轴；103-第一支撑板；104-套筒；105-第二支撑板；106-第三支撑板；107-伺服电机；108-支撑腿；109-轴承端盖；1010-深沟球轴承；1011-角接触球轴承；2-法拉第筒支架；3-法拉第筒；4-压头机构；401-压头筒；402-模具弹簧；403-压头支撑杆；404-压头筒螺母；405-压头；406-压头螺母；407-试件小球；5-压头支架；6-竖直移动机构；601、1101-直线滑动支撑单元；602、1102-丝杆副；7-气阀门；8-联轴器；9-涡轮蜗杆减速器；10-手轮；11-水平移动机构；12-玻璃柜；13-伺服电机控制器；14-氮气瓶；15-电荷仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图6所示，提供了一种球盘式摩擦电测量装置。

如图1和图2所示，本实施例的球盘式摩擦电测量装置，包括密闭容器，设在密闭容器外部的电荷仪(如电荷仪15)、伺服电机控制器(如14伺服电机控制器)、和通过进气阀(如设在氮气瓶和密闭容器相应壁面之间的气阀门7)连通至密闭容器内部的氮气瓶(如氮气瓶14)，以及，设在密闭容器内部、且与伺服电机控制器电连接的动力机构(如动力机构1)，并行安装在动力机构上方的法拉第筒支架(如法拉第筒支架2)和水平移动机构(如水平移动机构11)，安装在法拉第筒支架上方、且与电荷仪电连接的法拉第筒(如法拉第筒3)，竖直安装在水平移动机构上方的竖直移动机构(如竖直移动机构6)，水平设置、且与竖直移动机构配合安装的压头支架(如压头支架5)，和安装在压头支架左端下方的压头机构(如压头机构4)。

这里，上述密闭容器，主要包括经过胶粘加工得到、且用于观测密闭容器内部状况的玻璃柜(如玻璃柜12)，安装在玻璃柜的壁面、且用于控制玻璃柜内部气体成分的进气阀和排气阀(如设在密闭容器右侧上方相应壁面上的气阀门7)，以及粘贴在玻璃柜内壁面、且用于屏蔽外电场的铁纱。

例如，玻璃柜的五面固定，一面为门，门关上后用胶带封死，可以保证玻璃柜的气密性；打开进气阀(如设在氮气瓶和密闭容器之间的气阀门7)和出气阀(如设在密闭容器右侧上方壁面上的气阀门7)，由保护气体瓶(如氮气瓶14)向玻璃柜内充入保护气体，充满后关闭进气阀门和出气阀门；在玻璃柜内壁面粘贴一层铁纱(如铁丝网)，可以屏蔽外电场。

如图3所示，上述动力机构，包括伺服电机(如伺服电机107)和支撑腿(如支撑腿108)，通过联轴器(如图3中的联轴器8)安装在伺服电机上方的旋转组件，以及通过套筒安装在旋转组件和支撑腿之间的支撑组件；伺服电机驱动联轴器，通过联轴器传动，带动旋转组件连续转动。

其中，上述旋转组件，包括竖直设置、且通过联轴器与伺服电机的驱动端连接的轴(如轴102)，以及水平设置在轴上端的旋转盘(如旋转盘101)；采用伺服电机作为驱动元件，通过联轴器传动，带动轴及轴上的旋转盘连续转动。通过精确控制转速与旋转角度的伺服电机，可以对旋转盘的运动进行控制。

上述支撑组件，包括水平设置在支撑腿上端的第三支撑板(如第三支撑板106)，位于所述第三支撑板的上方、且通过六个套在螺柱上的套筒(如套筒104)支撑并水平安装的第二支撑板(如第二支撑板105)，位于所述第二支撑板的上方、且通过四个套在螺柱上的套筒(如套筒104)支撑并水平安装的第一支撑板(如第一支撑板103)，在第一支撑板中心处加工的轴承座上安装有角接触球轴承(如角接触球轴承1011)，以及在第二支撑板上与第一支撑板相对应的位置处加工的轴承座上安装有深沟球轴承(如深沟球轴承1010)；伺服电机固定安装在第三支撑板的下方，各支撑板分别通过螺柱和相应套筒连接；法拉第筒支架的底部，通过螺栓固定设置在第一支撑板上。考虑到防尘要求，在角接触球轴承和深沟球轴承上，分别设有用于防尘的轴承端盖(如图3中的轴承端盖109)。

如图4所示，上述压头机构，包括竖直设置的压头筒(如压头筒401)，在压头筒内部放置有模具弹簧(如模具弹簧402)，在压头筒的中空筒口处安装有位于模具弹簧下端的压头支撑杆(如压头支撑杆403)，在压头筒上旋紧有用于防止压头支撑杆掉出的压头筒螺母(如压头筒螺母404)，在压头筒的下端部设有试件小球(如试件小球407)、以及用于配合将试件小球夹住的压头(如压头405)和压头螺母(如压头螺母406)；将压头通过压头上的螺杆，固定在压头支撑杆上；压头向固定设置的压头筒方向压入时，将模具弹簧压紧。在压头筒的中空筒口处开设有十字槽，压头支撑杆上具有与十字槽相匹配的十字键，压头支撑杆的十字键和压头筒的十字槽相配合插入压头筒内部；在压头筒上部设有外螺纹，压头筒通过该外螺纹固定连接在压头支架上；压头支架通过螺钉，固定设置在竖直移动机构上。

如图5所示，上述竖直移动机构，包括竖直并行设置的第一至二直线滑动支撑单元(如图5中的直线滑动支撑单元601)，竖直设置在第一至二直线滑动支撑单元之间的丝杆副(如图5中的丝杆副602)，通过联轴器(如图5中的联轴器8)设置在丝杆副下方的涡轮蜗杆减速器(如涡轮蜗杆减速器9)，以及通过联轴器设置在涡轮蜗杆减速器横轴输出端、且位于密闭容器外部的手轮(如图5中的手轮10)；第一至二直线滑动支撑单元具有滑台，丝杆副具有螺母座；压头支架通过螺钉固定在第一至二直线滑动支撑单元的滑台和丝杆副的螺母座上；摇动手轮，通过涡轮蜗杆减速器带动丝杆副，使压头机构上下移动；在实验前，向下移动压头机构对动力机构中的旋转盘施加压力，实验后升起压头机构、并将压头机构移入法拉第筒内。

如图6所示，上述水平移动机构，包括水平设置的第一至二直线滑动支撑单元(如图6中的直线滑动支撑单元1101)，水平设置在第一至二直线滑动支撑单元之间的丝杆副(如图6中的丝杆副1102)，以及通过联轴器(如图6中的联轴器8)设置在丝杆副右端、且位于密闭容器外部的手轮(如图6中的手轮10)；第一至二直线滑动支撑单元具有滑台，丝杆副具有螺母座；竖直移动机构通过螺钉固定在直线滑动支撑单元的滑台和丝杆副的螺母座上；摇动手轮，带动丝杆副，使压头机构水平移动；在实验中，控制压头机构距动力机构中旋转盘中心的距离，待摩擦完成后将压头机构移入法拉第筒内，通过与法拉第筒相连的电荷仪，将压头机构上小球的电荷输出。

经实验验证，上述实施例的球盘式摩擦电测量装置，分辨率可以达到10^-15；分辨率达到10^-15的电荷仪，为微电现象的观测奠定了基础。

上述实施例的球盘式摩擦电测量装置，可以用于测量在给定环境中不同直径圆球、不同转速圆盘的球盘摩擦带电量的测量，以及辨识速度和压力对摩擦带电贡献。在技术上，利用密闭容器提供氮气环境、不同湿度环境以及人为可控环境，排除外电场的干扰；利用动力机构可将待测样品放置在旋转盘上，带动样品以恒定转速转过一定角度；待测小球(即试件小球)通过压头机构的头部夹具(如用于夹住试件小球的压头和压头螺母)固定在压头机构上，通过竖直移动机构可以控制试件小球在转盘上摩擦压力，完成实验后可控制压头机构升起；通过水平移动机构可以控制试件小球在转盘上的位置，完成实验后可将压头机构移入法拉第筒内，通过与法拉第筒相连的电荷仪将压头机构上试件小球的电荷输出。

在上述实施例中，密闭容器主要材料是玻璃，容器经过胶粘加工制造，可以观测整个实验过程，在通过壁面留有的进气阀和排气阀控制容器中的气体成分，内壁面粘有铁纱(铁丝网)屏蔽外电场；动力机构采用伺服电机作为驱动元件，通过联轴器传动，带动轴及轴上的旋转盘连续转动；考虑防尘的要求，在第一支撑板和第二支撑板上都安装有防尘用轴承端盖；伺服电机固定在第三支撑板下，各支撑板依靠螺柱和相应套筒连接；压头机构的头部夹具固定试件小球，整个压头可带动试件小球在压头筒内上下移动，通过压头筒内的模具弹簧对压头施加压力；竖直移动机构主要由丝杆副和位于丝杆副两侧的两个直线滑动支撑单元组成，摇动手轮通过涡轮蜗杆减速器带动丝杆副可以实现压头机构的上下移动，在实验前向下移动压头机构对旋转盘施加压力，实验后升起压头机构方便压头机构移入法拉第筒内；水平移动机构同样由丝杆副和位于丝杆副两侧的两个直线滑动支撑单元组成，摇动手轮带动丝杆副可以实现压头机构的水平移动，在实验中可控制压头机构距旋转盘中心的距离，待摩擦完成后将压头机构移入法拉第筒内，通过与之相连的电荷仪将压头机构上小球的电荷输出；法拉第筒、电荷仪是现有仪器；整个密闭容器、球盘式摩擦电测量装置及法拉第筒的外壁面、电荷仪都接地。

上述实施例的球盘式摩擦电测量装置，具有以下特点：

⑴可以实现氮气环境、可控湿度环境下球盘摩擦实验；

⑵旋转盘能实现自动控制，能实现不同转速的实验测量；

⑶压头机构上下可调，能实现不同压力的实验测量；

⑷压头机构上可更换不同直径的试件小球，能实现不同接触面积的实验测量；

⑸可以测量球盘式摩擦带电量；

⑹可推断压力与速度对摩擦带电量的贡献。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (5)

1.一种球盘式摩擦电测量装置，其特征在于，包括密闭容器，设在所述密闭容器外部的电荷仪、伺服电机控制器、和通过进气阀连通至密闭容器内部的氮气瓶，以及，

设在所述密闭容器内部、且与伺服电机控制器电连接的动力机构，并行安装在所述动力机构上方的法拉第筒支架和水平移动机构，安装在所述法拉第筒支架上方、且与电荷仪电连接的法拉第筒，竖直安装在所述水平移动机构上方的竖直移动机构，水平设置、且与所述竖直移动机构配合安装的压头支架，和安装在所述压头支架左端下方的压头机构；

所述动力机构，包括伺服电机和支撑腿，通过联轴器安装在所述伺服电机上方的旋转组件，以及通过套筒安装在所述旋转组件和支撑腿之间的支撑组件；所述伺服电机驱动联轴器，通过联轴器传动，带动旋转组件连续转动；

所述旋转组件，包括竖直设置、且通过联轴器与所述伺服电机的驱动端连接的轴，以及水平设置在所述轴上端的旋转盘；

所述支撑组件，包括水平设置在所述支撑腿上端的第三支撑板，位于所述第三支撑板的上方、且通过六个套在螺柱上的套筒支撑并水平安装的第二支撑板，位于所述第二支撑板的上方、且通过四个套在螺柱上的套筒支撑并水平安装的第一支撑板，在第一支撑板中心处加工的轴承座上安装有角接触球轴承，以及在第二支撑板上与第一支撑板相对应的位置处加工的轴承座上安装有深沟球轴承；所述伺服电机固定安装在第三支撑板的下方；所述法拉第筒支架的底部，通过螺栓固定设置在第一支撑板上；

所述密闭容器，主要包括经过胶粘加工得到、且用于观测密闭容器内部状况的玻璃柜，安装在所述玻璃柜的壁面、且用于控制玻璃柜内部气体成分的进气阀和排气阀，以及粘贴在所述玻璃柜内壁面、且用于屏蔽外电场的铁纱；

在所述角接触球轴承和深沟球轴承上，分别设有用于防尘的轴承端盖。

2.根据权利要求1所述的球盘式摩擦电测量装置，其特征在于，所述压头机构，包括竖直设置的压头筒，在所述压头筒内部放置有模具弹簧，在所述压头筒的中空筒口处安装有位于模具弹簧下端的压头支撑杆，在所述压头筒上旋紧有用于防止压头支撑杆掉出的压头筒螺母，在所述压头筒的下端部设有试件小球、以及用于配合将试件小球夹住的压头和压头螺母；

将所述压头通过压头上的螺杆，固定在压头支撑杆上；压头向固定设置的压头筒方向压入时，将模具弹簧压紧。

3.根据权利要求2所述的球盘式摩擦电测量装置，其特征在于，在所述压头筒的中空筒口处开设有十字槽，所述压头支撑杆上具有与十字槽相匹配的十字键，压头支撑杆的十字键和压头筒的十字槽相配合插入压头筒内部；

在所述压头筒上部设有外螺纹，压头筒通过该外螺纹固定连接在压头支架上；压头支架通过螺钉，固定设置在竖直移动机构上。

4.根据权利要求1所述的球盘式摩擦电测量装置，其特征在于，所述竖直移动机构，包括竖直并行设置的第一至二直线滑动支撑单元，竖直设置在所述第一至二直线滑动支撑单元之间的丝杆副，通过联轴器设置在所述丝杆副下方的涡轮蜗杆减速器，以及通过联轴器设置在所述涡轮蜗杆减速器横轴输出端、且位于密闭容器外部的手轮；

所述第一至二直线滑动支撑单元具有滑台，丝杆副具有螺母座；压头支架通过螺钉固定在第一至二直线滑动支撑单元的滑台和丝杆副的螺母座上；摇动手轮，通过涡轮蜗杆减速器带动丝杆副，使压头机构上下移动；在实验前，向下移动压头机构对旋转盘施加压力，实验后升起压头机构、并将压头机构移入法拉第筒内。

5.根据权利要求1所述的球盘式摩擦电测量装置，其特征在于，所述水平移动机构，包括水平设置的第一至二直线滑动支撑单元，水平设置在第一至二直线滑动支撑单元之间的丝杆副，以及通过联轴器设置在丝杆副右端、且位于密闭容器外部的手轮；

所述第一至二直线滑动支撑单元具有滑台，丝杆副具有螺母座；竖直移动机构通过螺钉固定在直线滑动支撑单元的滑台和丝杆副的螺母座上；摇动手轮，带动丝杆副，使压头机构水平移动；在实验中，控制压头机构距动力机构中心的距离，待摩擦完成后将压头机构移入法拉第筒内，通过与法拉第筒相连的电荷仪，将压头机构上小球的电荷输出。