CN103063570A

CN103063570A - 一种离心式测微力系统

Info

Publication number: CN103063570A
Application number: CN2012105778208A
Authority: CN
Inventors: 王立新; 刘恩福; 黄风山; 高雅妍; 翟利刚
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种离心式测微力系统，涉及用机械方法测量材料之间的微摩擦力及微摩擦系数装置技术领域。包括机座、调速电机、转速控制及显示单元、联轴器、测试平台、可升降连杆和高帧数视频监控系统，所述调速电机固定在所述机座上，所述调速电机与测试平台之间通过联轴器连接，所述高帧数视频监控系统通过所述可升降连杆吊装在所述测试平台的上方，所述转速控制及显示单元控制调速电机的转动并显示转速。该测微力系统的测量精度最高可达0.01mN，能够解决现有测力传感器和测力系统的分辨力低的问题。具有结构简单、易操作、测试范围大、分辨力高、应用范围广等优点。

Description

一种离心式测微力系统

技术领域

本发明涉及用机械方法测量材料之间的微摩擦力及微摩擦系数装置技术领域。

背景技术

机械化滑移捕集治理致灾农业昆虫技术研究过程中，为获取用于提高捕集滑板滑移功能的参数信息，我们需要测试甲虫、飞蛾、蝗虫、蚂蚁等致灾农业昆虫在捕集滑板表面的附着力、摩擦力、黏附力等。这样就需要研制一种测微力系统，专门用于测试昆虫在捕集滑板表面产生的力。

目前公知的测力系统所采用的最基本的单元是测力传感器，传感器的量程、分辨率直接决定了测力系统的测量范围与测量精度。中国专利CN1760662A公开了二维小量程力传感器，能够同时测量水平方向和垂直方向上的力，具有结构简单、弹性体整体刚度高、有过载保护结构、安全性和可靠性高等优点。但由于该传感器的法向力、切向力的分辨力均是9.8mN，比较适合壁虎等体型较大动物脚掌产生的力，对于甲虫、蚂蚁等体型较小昆虫所产生的力，该传感器在精度方面并不能满足需求。中国专利CN 100412521C公开了量程为0-1.5N的三维力传感器，具有结构简单、灵敏度高等优点，能够测量蜘蛛、昆虫、壁虎爬行时的接触力。该三维力传感器的分辨力为1mN，对于蚂蚁等小型昆虫产生的力，测试精度仍旧不能满足要求；在测量昆虫整个附着系统产生的力时，需要若干个该传感器组成阵列，极大提高了测微力系统的成本。

甲虫、飞蛾、蝗虫、蚂蚁等昆虫的体重较轻，其附着系统在不同捕集滑板表面产生的力一般在几十毫牛到几百毫牛之间，所需测力系统的分辨力宜为0.1-1mN之间。上述已有的传感器及用上述传感器组建的测微力系统，在量程、分辨力等方面并不能同时满足本研究过程中对昆虫附着力、摩擦力、黏附力的检测需求。因此，有必要研制合适的测微力系统，满足研究的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种离心式测微力系统，所述系统具有分辨力高、测试范围大的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种离心式测微力系统，其特征在于包括机座、调速电机、转速控制及显示单元、联轴器、测试平台、可升降连杆和高帧数视频监控系统，所述调速电机固定在所述机座上，所述调速电机与测试平台之间通过联轴器连接，所述高帧数视频监控系统通过所述可升降连杆吊装在所述测试平台的上方，所述转速控制及显示单元控制调速电机的转动并显示转速。

优选的：所述机座包括底座、侧板和支撑板，所述侧板与底座和支撑板垂直连接，所述调速电机通过螺栓固定在所述支撑板上，所述底座、侧板和支撑板之间围成“U”型结构。

优选的：所述底座与侧板之间，侧板与支撑板之间固定连接有加强筋。

优选的：所述调速电机的底部与底座之间设有弹性件。

优选的：所述测试平台的内圈设有固定孔，中圈设有沟槽，外沿设有凸台，两条相互垂直的刻度线位于所述操作平台上，刻度线的交点为所述测试平台的圆心。

优选的：所述可升降连杆包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆与第二连杆之间通过可升降的结构连接，第三连杆与第一连杆垂直固定连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述测微力系统并非通过测力传感器实现对力的测量，因而测量范围、测量精度不受传感器的限制。该测微力系统的测量精度最高可达0.01 mN，能够解决现有测力传感器和测力系统的分辨力低的问题。具有结构简单、易操作、测试范围大、分辨力高、应用范围广等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的左视结构示意图；

图3是图1中测试平台的剖视结构示意图；

图4是图1中测试平台的俯视结构示意图；

图5是图1中机座的主视结构示意图；

图6是图1中机座的左视结构示意图；

图7是图1中机座的俯视结构示意图；

其中：1、测试平台 2、调速电机 3、高帧数视频监控系统 4、机座 41、底座 42、侧板 43、支撑板 5、联轴器 6、可升降连杆 61、第一连杆 62、第二连杆 63、第三连杆 7、螺栓 8、弹性件 9、加强筋 10、固定孔 11、沟槽 12、凸台。

具体实施方式

如图1-7所示，一种离心式测微力系统，包括机座4、调速电机2、转速控制及显示单元、联轴器5、测试平台1、可升降连杆6和高帧数视频监控系统3。所述机座包括底座41、侧板42和支撑板43，所述侧板42与底座41和支撑板43垂直连接，所述调速电机2通过螺栓固定在所述支撑板43上。所述底座41与侧板42之间，侧板42与支撑板43之间固定连接有加强筋9。机座4是调速电机2、高帧数视频监控系统3的载体，设计成非对称的横“U”型，采用45号钢作为材质。所述调速电机2的底部与底座41之间设有弹性件8，以抑制调速电机2振动。

所述调速电机2与测试平台1之间通过联轴器5连接，测试平台1为质轻、刚度高的铝合金材质，直径为410 mm，厚度为10 mm；测试平台1上，以圆心为起点设定以毫米为最小单位的两条相互垂直的刻度线；测试平台1上，外沿凸台12的高度是3 mm，宽度是5 mm；距圆心175 mm处加工宽度1 mm、深度3 mm的沟槽11。所述高帧数视频监控系统3通过所述可升降连杆6吊装在所述测试平台1的上方，所述转速控制及显示单元控制调速电机2的转动并显示转速。

所述可升降连杆6包括第一连杆61、第二连杆62和第三连杆63，第一连杆61与第二连杆62之间通过可升降的结构连接，第三连杆63与第一连杆61垂直固定连接。高帧数视频监控系统3通过可升降连杆6固定在机座4上，调节高帧数监控系统3摄像头的水平位置，使摄像头的中心线与测试平台1的转动中心线重合，通过调节连杆6，控制摄像头与测试平台1的距离，以获取合适的焦距，使拍摄到的图像能够清晰显示昆虫的位置信息。高帧数视频监控系统是一种视频监控系统，帧数较高的视频监控系统能够对昆虫的运动轨迹进行捕捉。

本发明的离心式测微力系统主要依据离心力计算公式，即，其中，表示做离心运动物体的质量，单位kg；表示物体做离心运动的半径，单位m；表示物体做离心运动的转速，单位。据此，设置测试平台为该测微力系统的核心部分，采用调速电机和转速控制及显示单元来控制测试平台的转动，获取昆虫作离心运动的转速信息。高帧数视频监控系统用于获取高速旋转过程中测试平台的图像，结合测试平台上设置的刻度线，获取被测试昆虫的位置信息，即作离心运动的半径。离心式测微力系统测试昆虫的质量信息

可采用高精度称重天平获取。

附着力（摩擦力）测试方法：捕集滑板或其他测试材料固定在测试平台上，昆虫放置于测试材料上。同时启动调速电机和高帧数视频监控系统，调节电机转速控制及显示单元，使测试平台的转速不断增加，直至昆虫脱离测试材料。记录昆虫临界脱离测试材料时的电机转速与测试平台图像，获取转速信息和半径信息，结合预先称重获取的昆虫质量信息，利用离心力公式可获取昆虫在该测试材料表面的最大附着力（摩擦力）。

黏附力测试方法：捕集滑板或其他测试材料加工成圆筒状，垂直安装于测试平台的沟槽内，昆虫放置于测试材料外表面。同时启动调速电机和高帧数视频监控系统，调节电机转速控制及显示单元，使测试平台的转速不断增加，直至昆虫脱离测试材料。记录昆虫临界脱离测试材料时的电机转速，获取测试平台的转速信息；沟槽离测试平台圆心的距离与测试材料的厚度之和，为昆虫作离心运动的半径信息；结合预先称重获取的昆虫质量信息，利用离心力公式可获取昆虫在该测试材料表面的最大黏附力。

下面以甲虫和飞蛾为例进行说明。测试开始前，采用精度为0.1 mg的电子称重天平，称得测试对象甲虫的体重为68.5 mg，飞蛾的体重为21.8 mg。

首先进行附着力（摩擦力）的测试，以1000目的砂纸作为测试材料，把砂纸固定在测试平台1上，把甲虫放在砂纸上，同时启动调速电机2和高帧数视频监控系统3，调节调速电机转速控制及显示单元，缓慢提高转速，直至甲虫达到临界脱离砂纸状态，记录此时电机转速，为=328 r/min。调出高帧数视频监控系统自动保存的图像，计算获取甲虫临界脱离砂纸时刻，距测试平台圆心的距离为=158.6 mm。把所获取的信息带入离心力公式，计算得甲虫在粒度为1000目的砂纸表面的最大附着力（摩擦力）为mN。

随后进行黏附力的测试，以厚度为1 mm的PVC板为测试材料，加工成圆筒状，垂直安装于测试平台沟槽内。把飞蛾放置于PVC板外表面。同时启动调速电机2和高帧数视频监控系统3，调节调速电机转速控制及显示单元，缓慢提高转速，直至飞蛾临界脱离PVC板，记录此时电机转速，为=312 r/min。飞蛾做离心运动的半径为176.0 mm，把所得信息带入离心力公式，计算获取飞蛾在PVC板的最大黏附力为mN。

本发明提供的离心式测微力系统没有采用测力传感器，故测试精度不受测力传感器分辨力的影响，影响该系统精度的主要因素是所获取测试对象的质量、离心运动半径的精度。在以上实施例中，采用精度是0.1 mg的称重天平获取测试对象质量，测试对象做离心运动的半径信息获取精度是0.1mm，故计算所得力的精度为0.1 mN。可采用精度更高（0.01 mg）的称重天平获取测试对象质量，测试对象做离心运动的半径信息获取精度也可提高至0.01mm，因而该离心式测微力系统的精度可提高至0.01mN。

综上所述，该测微力系统的测量精度最高可达0.01 mN，能够解决现有测力传感器和测力系统的分辨力低的问题。具有结构简单、易操作、测试范围大、分辨力高、应用范围广等优点。

Claims

1.一种离心式测微力系统，其特征在于包括机座（4）、调速电机（2）、转速控制及显示单元、联轴器（5）、测试平台（1）、可升降连杆（6）和高帧数视频监控系统（3），所述调速电机（2）固定在所述机座（4）上，所述调速电机（2）与测试平台（1）之间通过联轴器（5）连接，所述高帧数视频监控系统（3）通过所述可升降连杆（6）吊装在所述测试平台（1）的上方，所述转速控制及显示单元控制调速电机（2）的转动并显示转速。

2.根据权利要求1所述的一种离心式测微力系统，其特征在于所述机座包括底座（41）、侧板（42）和支撑板（43），所述侧板（42）与底座（41）和支撑板（43）垂直连接，所述调速电机（2）通过螺栓固定在所述支撑板（43）上，所述底座（41）、侧板（42）和支撑板（43）之间围成“U”型结构。

3.根据权利要求2所述的一种离心式测微力系统，其特征在于所述底座（41）与侧板（42）之间，侧板（42）与支撑板（43）之间固定连接有加强筋（9）。

4.根据权利要求2所述的一种离心式测微力系统，其特征在于所述调速电机（2）的底部与底座（41）之间设有弹性件（8）。

5.根据权利要求1所述的一种离心式测微力系统，其特征在于所述测试平台（1）的内圈设有固定孔（10），中圈设有沟槽（11），外沿设有凸台（12），两条相互垂直的刻度线位于所述操作平台上，刻度线的交点为所述测试平台的圆心。

6.根据权利要求1所述的一种离心式测微力系统，其特征在于所述可升降连杆（6）包括第一连杆（61）、第二连杆（62）和第三连杆（63），第一连杆（61）与第二连杆（62）之间通过可升降的结构连接，第三连杆（63）与第一连杆（61）垂直固定连接。