CN106768519B - 摩擦力及摩擦系数实验与测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

摩擦力及摩擦系数实验与测量装置的测量端包括摩擦承载板、超声波测速传感器、电机停止开关、底座、电路板、单片机、电阻应变式传感器、AD转换器、无线收发模块、直流电机、LED指示灯、滑轮和称重盘；电阻应变式传感器Ⅰ上设置有称重盘，电阻应变式传感器Ⅱ的一端设置有一个滑轮；在直流电机的输出轴上有一个卷线轮，无弹性线从卷线轮绕过滑轮后与被测物体连接；单片机利用PID算法调节电机驱动的PWM从而牵引被测物体匀速运动；显示控制端包括单片机、锂电池、液晶显示屏、无线收发模块、按键、蜂鸣器和LED指示灯，本发明测量快速、简单、直观、精确，既可以运用于物理实验教学，又可以用于专业的摩擦力及光滑度测定。

Description

摩擦力及摩擦系数实验与测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦力及摩擦系数测量装置，具体地说是一种摩擦力及摩擦系数实验与测量装置及测量方法。

背景技术

摩擦力的测量一直是物理实验设计的难点，物理实验中测量摩擦力的传统方法有斜面法和水平法。斜面法就是将被测物体放置在一个平台上，然后逐渐增加平台的倾斜角度，当被测物体由于重力开始下滑时，测量出倾斜角度，根据力的分解进行计算即可得到摩擦力和摩擦系数。水平法就是将被测物体水平放在水平的平台上，施加牵引力让被测物体匀速运动，此时的牵引力大小即为摩擦力的大小。

这两种方法均有各自的优点，斜面法则利用被测物体自身重力的分解力作为牵引力，缓慢抬升倾斜角度，具有设备简单，测量误差相对较小的优点；水平法直接测量被测物体的摩擦力，具有快速、直观的优点。但不得不承认它们也都有各自的缺点，斜面法是通过测量倾斜角度间接测量摩擦力及摩擦系数，首先作为实验演示时，不够直观，其次角度的精确测量难以实现，再者这种方法的分析、计算过于复杂，脱离了摩擦力实验的本质。所以在教学中很少采用这种方法，大多是采用水平法测量。但是水平法测量也存在着不足，最为突出的便是牵引力的提供，最原始的是手动牵引，即用手拉被测物体运动,但是人手提供的力不均衡，很难让物体沿水平方向做匀速运动。后来，人们也对摩擦力测量装置做了改进，用重物牵引或电动机牵引，这两种方法提供的牵引力是恒定的，但是由于我们是在测量摩擦力的大小，所以我们无法预知所提供的牵引力应该多大，这就造成了牵引力不等于摩擦力，故最终测量的结果也是错误的。此外，这种方法在测量时测力计是随着被测物体运动的，这就造成了读数的不便，而且大多测力计的精度不够，误差较大。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量快速、简单、直观、精确，既可以运用于物理实验教学，又可以作为专业的摩擦力及光滑度测定工具的摩擦力及摩擦系数实验与测量装置及测量方法。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，它包括测量端和显示控制端，

所述测量端包括摩擦承载板、超声波测速传感器、电机停止开关、底座以及设置在所述底座上的电路板、单片机、电阻应变式传感器、AD转换器、无线收发模块、直流电机、LED指示灯、滑轮和称重盘，所述电阻应变式传感器包括用于称重的电阻应变式传感器Ⅰ和用于测量电机牵引力的电阻应变式传感器Ⅱ，电阻应变式传感器Ⅰ和电阻应变式传感器Ⅱ分别经过所述AD 转换器与所述单片机连接；所述超声波测速传感器、电机停止开关、无线收发模块、LED指示灯分别与所述单片机连接，所述直流电机通过电机驱动与所述单片机连接；

所述电阻应变式传感器Ⅰ上设置有称重盘，所述电阻应变式传感器Ⅱ的一端固定在所述底座上，另一端固定连接一个滑轮座，在所述滑轮座上设置有一个滑轮；

在所述直流电机的输出轴上设置有一个工字型的卷线轮，一根无弹性线从所述卷线轮绕过位于卷线轮后方的所述滑轮后与所述摩擦承载板上的被测物体连接；所述单片机利用PID算法调节电机驱动的PWM从而牵引被测物体匀速运动；

所述超声波测速传感器用于测量被测物体的运动速度；

所述电机停止开关用于控制直流电机的停止；

所述显示控制端包括单片机、锂电池以及分别与所述单片机连接的液晶显示屏、无线收发模块、按键、蜂鸣器和LED指示灯，所述按键包括确定/ 锁定按键、选择/结束按键、返回/退线按键、复位按键、开关按键和电机按键。

优选的，所述摩擦承载板与所述底座可拆卸连接。

优选的，所述电机停止开关为红外光电传感器。

进一步的，所述测量端还包括称重指示灯。

进一步的，在所述电路板上还设置有下载串口、蓝牙扩展口、红外光电传感器连接口、DC电源接口、电机驱动口、电源开关和复位按键。

进一步的，所述显示控制端还包括分析绘图模块，它可以根据测的的数据，绘制摩擦力随时间变化的曲线图像、摩擦力随压力变化的曲线图像或摩擦力随拉力变化的曲线图像。

一种摩擦力及摩擦系数测量方法，包括以下步骤：

a、开机后系统自检，若有异常，提示错误信息，若无异常，进入“模式选择”；

b、“模式选择”下包含“实验模式”和“测量模式”，选择“实验模式”后进入步骤c，选择“测量模式”后进入步骤d；

c、实验模式

c1、待设备的称重指示灯亮起后，将所测物体放到称重盘，待数值稳定后选择“导入”后进入“确认导入”界面，如果对所测质量没有质疑，则按下“确认”键；

c2、按下电机按键，液晶显示屏显示拉力值；

c3、按下“锁定”键，拉力值被锁定，然后记录数值；

c4、实验完成后，如果还要继续进行实验测量，则按下“退线”键完成退线后可再次实验；

c5、如果要结束实验，则按下“结束”键，返回到“模式选择”界面；

d、测量模式

d1、选择“测量模式”后，进入“压力测量”界面，待设备的称重指示灯亮起后，将所测物体放到称重盘，待压力数值稳定后选择“导入”后进入“确认导入”界面，如果对所测质量没有质疑，则按下“确认”键；

d2、压力数值被导入后，出现“是否开始”确认界面，选择“确认”键后，电机转动，进入自动测量模式；

d3、测量完成后，系统发出警报声，并在液晶显示屏上显示所测最大静摩擦力、滑动摩擦力以及摩擦系数；

d4、测量完成后，如果想结束测量，或者再次进行“测量模式”，可按下“结束”键，返回到“模式选择”界面。

进一步的，在步骤d中，还包括分析绘图选项，选择分析绘图选项后，可以选择在液晶显示屏上显示摩擦力随时间变化的图像、摩擦力随压力变化的图像或摩擦力随拉力变化的图像。

本发明的有益效果是：

(1)单片机运用PID算法控制电机驱动PWM进行牵拉，代替传统手动牵拉、重物牵拉和单纯电机牵引，速度稳定性高，牵引力自适应摩擦力。

(2)电阻应变式传感器结合24位高精度AD代替传统弹簧测力计，精度有了质的飞跃。同时自带高精度质量、压力测量，直接导入系统中，方便快捷，避免二次误差。

(3)测量与显示分离实现，无线收发，解决传统读数不便问题。同时，在教学演示的时候老师可以控制装置拿给学生体验，让学生真正参与到课堂。

(4)整体采用半自动数字化测量，由高速微控制单元控制，系统稳定性、可靠性强，避免了了传统人为误差。

(5)简洁、细致的操作系统，具有硬件异常报警、声光提示、锁定、退线等便捷功能。

(6)具有蓝牙连接扩展功能，可通过手机APP代替遥控装置进行操控。

(7)可广泛运用于工业测量、实验和教学演示等领域，运用范围广泛。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的测量端结构示意图；

图2为本发明的显示控制端结构示意图；

图3为本发明的整体原理框图；

图4为本发明的测量过程流程图；

图5为本发明的PID控制原理图；

图6为本发明的电阻应变式传感器的直流电桥电路图；

图7为本发明的被测量物体受力分析示意图。

图中，摩擦承载板1、超声波测速传感器2、电机停止开关3、底座4、电路板41、下载串口411、蓝牙扩展口412、红外光电传感器连接口413、DC 电源接口414、电机驱动口415、单片机42、电阻应变式传感器Ⅰ43、电阻应变式传感器Ⅱ43＇、AD转换器44、无线收发模块45、直流电机46、卷线轮 461、LED指示灯47、滑轮48、称重盘49、被测物体5、显示控制端6、液晶显示屏7、LED指示灯9、确定/锁定按键81、选择/结束按键82、返回/退线按键83、亮度调节旋钮84、复位按键85、开关按键86、电机按键87。

具体实施方式

下面结合图1-图7对本发明的具体实施例做详细描述：

本发明包括测量端和显示控制端，显示控制端和测量端是相互分离的，它们通过无线进行数据通信。

需要说明的是，虽然图3中仅仅给出了本发明的原理框图，但，给出了具体的元器件和他们之间的对应连接关系，根据图3结合本领域技术人员的公知常识，很容易能够实现本发明的详细电路连接，因此，在这里不再赘述。

如图1和图3所示，所述测量端包括摩擦承载板1、超声波测速传感器 2、电机停止开关3、底座4以及设置在所述底座4上的电路板41、单片机42、电阻应变式传感器Ⅰ43、电阻应变式传感器Ⅱ43＇、AD转换器44、无线收发模块45、直流电机46、LED指示灯47(包括电源指示灯、电机指示灯和无线指示灯)、滑轮48和称重盘49，电阻应变式传感器Ⅰ43用于称重，电阻应变式传感器Ⅱ43＇用于测量电机牵引力，电阻应变式传感器Ⅰ43和电阻应变式传感器Ⅱ43＇分别经过所述AD转换器45与所述单片机42连接。所述超声波测速传感器2、电机停止开关3、无线收发模块45、LED指示灯47 分别与所述单片机42连接，所述直流电机46通过电机驱动与所述单片机42 连接，电机驱动采用L298N芯片。在所述电路板41上还设置有下载串口411、蓝牙扩展口412、红外光电传感器连接口413、DC电源接口414、电机驱动口 415、电源开关和复位按键。所述的AD转换器44为24位高精度AD，它可使测量质量最小精度达到0.001千克，测量拉力和压力值最小精度达到0.01N。

电阻应变式传感器Ⅰ43一端的底面被垫起后固定在底座4上，另一端的上面通过一个垫块固定一个长方形的称重盘49，所述电阻应变式传感器Ⅱ43＇的一端通过一个L型铝片固定在所述底座4上，另一端固定连接一个滑轮座，滑轮座为п型，在所述滑轮座上设置有一个滑轮48。所述测量端还包括称重指示灯，称重指示灯可以设置在称重盘49上。

在所述直流电机46的输出轴上设置有一个工字型的卷线轮461，一根无弹性线从所述卷线轮461绕过位于卷线轮461后方的所述滑轮48后与所述摩擦承载板1上的被测物体连接；所述单片机42利用PID算法调节电机驱动的 PWM从而牵引被测物体5匀速运动。

所述超声波测速传感器2用于测量被测物体5的运动速度；所述电机停止开关3用于控制直流电机46的停止，优选的，所述电机停止开关3为红外光电传感器。所述的红外光电传感器起到检测被测物体作用，当被测物体在摩擦承载板1上运动到指定位置时，红外光电传感器会检测到，并发送信号给单片机42，从而停止电机转动，防止电机烧坏或测量端被损坏。红外光电传感器与超声波测速传感器属于测量端的一部分，为了实现相应功能它们可以均设置在测量端主体之外，通过导线与测量端主体相连，为了便于收纳放置，它们通过插接头可拆卸的连接。如图1中所示，超声波测速传感器2通过插接头插接在底座4上，当然，它还可以设置在摩擦承载板1上与底座连接的位置。红外光电传感器还可以设置在摩擦承载板1一侧，可以通过滑动座与摩擦承载板1上滑动连接。

所述摩擦承载板1与所述底座4可拆卸连接，通过螺丝固定，可反复拆卸。还可以采用卡扣插接连接。

以下为测量端各器件或接口的说明：

(1)超声波测速传感器：用于测量被测物体的运动速度；

(2)红外光电传感器：用于设置被测物体的运动停止处，当被测物体运动到所放置红外光电传感器的位置时，被测物体将停止运动，测量结束；

(3)称重指示灯：当此灯亮起时，则表示称重功能已开启，可以进行测量压力和重量；

(4)称重盘：用于放置需要压力及重量测量的物体；

(5)下载串口：用于系统软件升级；

(6)红外光电传感器连接口D：用于连接红外传感器；

(7)电源开关：用于开断电源；

(8)DC电源接口：电源限接5V直流电源，超过该电压将会烧毁电路；

(9)电机驱动口：用于连接电机驱动；

(10)蓝牙扩展口：用于连接蓝牙扩展模块；

(11)无线传输模块：该模块未接或损坏将会导致系统无法工作；

(12)电源、电机、无线指示灯：当电源接通时，电源指示灯亮起；

当电机旋转时，电机指示灯亮起；当无线工作时，无线指示灯亮起。闪烁频率代表传输速度；

(13)复位按键：该按键用于复位(重启)测量端，仅在死机、出现异常情况时使用；

(14)电阻应变式传感器Ⅰ：用来测量电机所提供的牵引力即摩擦力的数值；

(15)电阻应变式传感器Ⅱ：用来测量被测物体的质量及压力数值；

(16)24位高精度AD转换器：用于将电阻应变式传感器测得的拉力或压力的模拟信号转换成数字信号；

(17)直流电机：用于提供牵引力；

(18)增强型51单片机：是装置的运算、处理、储存和控制单元，负责调动装置的各个模块，并负责数据的处理；

(19)滑轮：连接被测物体和电阻应变式传感器Ⅰ，用于改变电动机提供的牵引力的方向。

如图2和图3所示，显示控制端6包括增强型51单片机、锂电池以及分别与所述单片机连接的液晶显示屏7、无线收发模块、按键、蜂鸣器和LED 指示灯9，所述按键包括确定/锁定按键81、选择/结束按键82、返回/退线按键83、亮度调节旋钮84、复位按键85、开关按键86、电机按键87。LED指示灯9包括电源指示灯、电机指示灯和无线指示灯。所述的显示控制端能直接显示测量的最大静摩擦力、滑动摩擦力、滚动摩擦力和摩擦系数，同时内置分析绘图模块，可在屏幕上直接显示出摩擦力大小随时间变化的图像，即 f-t图像，同时还能显示摩擦力大小随压力和拉力大小的变化规律，及f-Fn图像和f-F图像。在作 为实验器材时，学生可通过图像直观探究领悟到摩擦力的相关性质。

以下为显示控制端各器件或接口的说明：

(1)锂电池：1020mah锂电池，可连续续航>＝3.5小时。但在不使用时请及时关闭电源，以免出现电池过度放电；

(2)增强型51单片机：是装置的运算、处理、储存和控制单元，负责调动装置的各个模块，并负责数据的处理；

(3)蜂鸣器：用于测量结束或者设备异常时的声音提示；

(4)确定/锁定按键：该按键兼具“确定”与“锁定”功能。在非实验模式时为“确定”功能；在试验模式时为“锁定”功能，可以使屏幕上所测的变化的摩擦力数值锁定不便；

(5)返回/退线按键：该按键兼具“返回”与“退线”功能。在“模式选择”和“实验模式”进行时为“退线”(电机反转，将缠绕在绕线轮上的牵引线退出)功能；在其余情况下为“返回”(取消)功能；

(6)选择/结束按键：该按键兼具“选择”与“结束”功能。在“模式选择”界面时为“选择”，可以在“实验模式”选项与“测量模式”选项之中切换(星号代表选中)；在“实验模式”进行时以及“测量模式”得出结果界面为“结束”功能,此时按下该键将返回到“模式选择”界面；

(7)电机按键：该按键用于控制电机转动，只有在“实验模式”功能下才有效，按下该键电机转动，松开该键则电机停止转动；

(8)亮度调节旋钮：该滑动变阻器用于调节屏幕亮度，顺时针旋转亮度增大，逆时针旋转亮度减小；

(9)复位按键：该按键用于复位(重启)该无线控制端，仅在控制端死机、出现异常情况时使用；

(10)开关按键：电源开关，用于控制电路的接通与断开；

(11)电源指示灯：当电源接通时，该指示灯亮起；

(12)电机指示灯：当电机旋转时，该指示灯亮起；

(13)无线指示灯：当无线工作时，该指示灯亮起，闪烁频率代表传输速度。

所述的测量端和显示控制端由NRF24L01无线收发模块进行通信，无线传输显示及控制，方便读数。同时作为教学用具时，老师可将测量端放在讲台上，手持显示控制端到台下为同学们讲解，方便学生观看测量数据，老师也可以让学生在自己的座位上亲自动手操作。

下面介绍摩擦力及摩擦系数实验与测量装置的测量原理：

如图3所示，本发明主要包括显示控制端和测量端两部分，期中显示控制端用于显示测量数据以及控制测量端进行相应动作，同时它还有分析计算来自测量端发送的测量数据。测量端主要是用来测量最大静摩擦力、滑动摩擦力和压力等数据，然后将测量的数据发送给显示控制端。

在介绍本发明的具体原理之前先来了解下，本发明的一些核心知识。

电阻应变式传感器又叫拉力传感器，隶属于称重传感器系列，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置，其结构含有力敏器件和两个拉力传递部分，在力敏器件中含有压电片和压电片垫片，压电片垫片含有基板部分和边缘传力部分，其特征是使两个拉力传递部分的两端分别固定在一起，用两端之间的横向作用面将力敏器件夹紧，压电片垫片在一侧压在压电片的中心区域，基板部分位于压电片另一侧与边缘传力部分之间并紧贴压电片，其用途之一是制成钩秤以取代杆枰。.

电阻应变式传感器工作原理：弹性体(弹性元件和敏感梁)在外作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成了将外力变换为电信号的过程.机械应变的微小应变通过测量电阻值的微小变化，通过专用的测量电路把电阻相对变化转换为电压的变化，我们用的而是基于直流电桥的电路原理。

图6给出直流电桥的电路图，其中R₁、R₂、R₃和R₄为电桥的桥臂，R_L为其负载.桥路中相邻两臂阻值之比应相等则电桥平衡，负载R_L没有电流.测量电路中，应变片来替代第一桥臂R₁，如果有微小应变，则引起电阻的微小变化，通过加入放大器来测量电桥输出电压的变化，电压的变化即对应着压力的变化。

应变式的拉力传感器在直接电压激励条件下,输出的信号是毫伏级的电压信号,这个信号在特定的条件下(固定的传感器灵敏度S、固定的供电电压 E)与受到的有效拉力成正比.假设一个拉力传感器的额定载荷为F,灵敏度为 S,在供电电压E的激励下,无载荷的时候零点输出为U₀,在一个有效拉力f作用下,输出电压信号为U_f,则有效拉力f可以表示为：

如图7所示，在本发明进行摩擦力测量的过程中，被测物体共受到四个力，它们分别是在垂直方向上的被测物体所受的重力G和承载板对被测物体的支持力N，它们俩恒是大小相等方向相反，是一对平衡力，合力为零。在水平方向上为直流电机对提供的牵引力F和被测物体所受的摩擦力f,牵引力F 和摩擦力f大小是否相等取决于被测物体的运动状态。当被测物体的加速度为零即其在匀速运动时，根据牛顿运动定律可知牵引力的大小就是被测量物体的摩擦力的大小。所以本发明的关键在于如何让被测物体保持匀速运动，为此本发明使用了PID算法。

增强型51单片机中利用了PID控制算法，PID控制器是一种线性控制器，它将给定值与实际输出值的偏差e(t)的比例、积分和微分进行线性组合，形成控制量u(t)输出，图5给出了PID控制器的流程图.连续系统中PID控制器的传递函数为：

PID控制器的输出电压u(t)为：

其中，K_P为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，e(t)为PID 控制器的输入，u(t)为PID控制器的输出。物体匀速运动时电压u(t)保持不变，电机拉动细绳力的大小就是式(1)中有效拉力f，有效拉力f通过拉力传感器转换为电信号，经过24位AD转换芯片将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号传输给单片机进行数据处理，精确计算出拉力值，即为摩擦力的值。

所述的牵引力自适应且恒等于摩擦力，由增强型51单片机、超声波测速传感器和直流电机驱动共同完成。增强型51单片机中的PID算法根据超声波测速传感器测得的速度，与预设速度进行比较，然后调节直流电机驱动的输出占空比，进而使得直流电机匀速运动，从而保证其所提供的牵引力自适应且恒等于摩擦力。

本发明的具体工作原理是：在测量端和显示控制端分别启动后，操作人员通过显示控制端发送测量指令给测量端，测量端通过电阻应变式传感器Ⅰ测得被测物体的压力值，通过超声波传感器利用PID算法调节电机驱动的PWM 从而使得被测物体匀速运动，此时电阻应变式传感器Ⅱ测得的拉力值即为摩擦力的值，经过24位AD转换芯片将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号传输给单片机进行数据处理。当被测物体运动到指定位置时，红外光电传感器会发送信号给单片机，此时结束测量，单片机将数据通过无线模块发送给显示控制端。显示控制端将接收到的数据分析计算得出最后的测量结果，得出测量结果后蜂鸣器会“嘀”得提示响一声，然后将结果通过液晶显示屏予以显示。

摩擦力及摩擦系数实验与测量装置的操作说明：

如图4所示，为本发明的测量过程流程图，

第一步，首先连接好接收端所有器件(超声波传感器、红外光电传感器、无线模块等)，打开接收端电源以及遥控端电源。

第二步，开机后系统自检，若有异常，提示错误信息，若无异常，进入“模式选择”；“模式选择”下包含“实验模式”和“测量模式”。

“实验模式”只得出原始数据，最终数据需要学生自己计算得出，这样学生能真正体会到实验的乐趣，学习到相关的知识。“测量模式”直接精确得出所有数据，带有分析绘图功能，可用于学生核对实验结果，或者用于商业摩擦系数的快速准确测定。

以下将分两种模式分步详细说明其测量方法：

(1)实验模式

1)按下“选择”键选中“实验模式”，接着按下“确定”键；

2)这时将进入“质量测量”界面，同时称重指示灯亮起，将所测物体放到称重盘，待数值稳定后按下“导入”；

3)此时进入“确认导入界面”，如果对所测质量没有质疑，则按下“确认”键；

4)稍等几秒后，质量被导入到系统中，出现“是否开始”确认界面。如果准备好要开始则按下“确认”键；

5)此时将会进入“实验模式”，无线指示灯会以非常快得频率闪烁，这说明此时信息将会通过无线进行高速传递。按下“电机”按键，电机指示灯亮起，电机转动，屏幕端将会显示实时所测摩擦力。由于物体表面本身存在的不均匀性，所测摩擦力数值可能会一直跳动，此时可按下“锁定”按键，拉力值将被锁定，便于记录数值；

6)实验完毕后，如果还要继续进行实验测量，可按下“退线”按键，当绕线退出后方可再次实验；

7)当一次实验完毕后，如果想结束实验，或者进行“测量模式”，可按下“结束”按键，返回到“模式选择”界面。

(1)测量模式

1)按下“选择”键选中“测量模式”，接着按下“确定”按键；

2)这时将进入“压力测量”界面；同时接收端称重指示灯亮起，将所测物体放到称重盘，待数值稳定后按下“导入”按键(该系统取重力加速度值 g＝9.8N/kg)；

3)此时进入“确认导入界面”，如果对所测压力没有质疑，则按下“确认”按键；

4)稍等几秒后，压力被导入到系统中，出现“是否开始”确认界面，如果准备好要开始则按下“确认”按键；

5)此时将会进入“测量模式”，无线指示灯会以非常快得频率闪烁，这说明此时无线将会进行高速传递。同时电机指示灯亮起，电机转动，系统自动进行测量。屏幕端将会显示“正在测量，请稍后……”的提示；

6)当听到“嘀”的一声提示后，系统则测量计算完毕，此时屏幕端将会显示所测最大静摩擦力、滑动摩擦力以及摩擦系数；

7)当一次实验完毕后，如果想结束实验，或者再次进行“测量模式”，可按下“结束”按键，返回到“模式选择”界面。

在测量模式下，还包括“分析绘图”选项，选择“分析绘图”选项后，可以选择在液晶显示屏上显示摩擦力随时间变化的图像、摩擦力随压力变化的图像或摩擦力随拉力变化的图像。

4.摩擦力及摩擦系数实验与测量装置的相关参数指标

(1)测量摩擦力精度：0.01N；

(2)测量摩擦系数精度：0.01；

(3)测量物体质量精度：0.001Kg；

(4)系统响应时间：<＝0.04s；

(5)电机转速偏移率：<＝0.013r/min；

(6)电机最大提供牵引力：15N；

(7)电阻应变式传感器Ⅱ(拉力)最大量程：30N；

(8)电阻应变式传感器Ⅰ(压力)最大量程：50N；

(9)无线传输距离：15M；

(10)工作温度：-35℃至85℃。

以上所述结合附图对本发明的优选实施方式和实施例作了详述，但是本发明并不局限于上述实施方式和实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出其它若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，其特征在于，它包括测量端和显示控制端，

所述测量端包括摩擦承载板、超声波测速传感器、电机停止开关、底座以及设置在所述底座上的电路板、单片机、电阻应变式传感器、AD转换器、无线收发模块、直流电机、LED指示灯、滑轮和称重盘，所述电阻应变式传感器包括用于称重的电阻应变式传感器Ⅰ和用于测量电机牵引力的电阻应变式传感器Ⅱ，电阻应变式传感器Ⅰ和电阻应变式传感器Ⅱ分别经过所述AD转换器与所述单片机连接；所述超声波测速传感器、电机停止开关、无线收发模块、LED指示灯分别与所述单片机连接，所述直流电机通过电机驱动与所述单片机连接；

所述电阻应变式传感器Ⅰ上设置有称重盘，所述电阻应变式传感器Ⅱ的一端固定在所述底座上，另一端固定连接一个滑轮座，在所述滑轮座上设置有一个滑轮；

在所述直流电机的输出轴上设置有一个工字型的卷线轮，一根无弹性线从所述卷线轮绕过位于卷线轮后方的所述滑轮后与所述摩擦承载板上的被测物体连接；所述单片机利用PID算法调节电机驱动的PWM从而牵引被测物体匀速运动；

所述超声波测速传感器用于测量被测物体的运动速度；

所述电机停止开关用于控制直流电机的停止；

所述显示控制端包括单片机、锂电池以及分别与所述单片机连接的液晶显示屏、无线收发模块、按键、蜂鸣器和LED指示灯，所述按键包括确定/锁定按键、选择/结束按键、返回/退线按键、复位按键、开关按键和电机按键；

所述显示控制端还包括模式选择界面，所述模式选择界面包括实验模式单元和测量模式单元，

所述实验模式单元用于将接收的所述电阻应变式传感器Ⅰ测量的被测物体的数据转换成质量数值，将接收的所述电阻应变式传感器Ⅱ测量的电机牵引力数值作为拉力值，然后实验模式单元将被测物体的质量数值和拉力值显示在所述液晶显示屏上；

所述测量模式单元用于将接收的所述电阻应变式传感器Ⅰ测量的被测物体的数据转换成压力数值，将接收的所述电阻应变式传感器Ⅱ测量的电机牵引力的最大值转换成最大静摩擦力，将被测物体匀速运动时的电机牵引力转换成滑动摩擦力，并计算摩擦系数，然后在所述液晶显示屏上显示被测物体的压力以及最大静摩擦力、滑动摩擦力和摩擦系数；

所述确定/锁定按键兼具“确定”与“锁定”功能，在非实验模式时为“确定”功能；在实验模式时为“锁定”功能，可以在液晶显示屏上锁定拉力值。

2.根据权利要求1所述的摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，其特征在于：所述摩擦承载板与所述底座可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，其特征在于：所述电机停止开关为红外光电传感器。

4.根据权利要求1所述的摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，其特征在于：所述测量端还包括称重指示灯。

5.根据权利要求1所述的摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，其特征在于：在所述电路板上还设置有下载串口、蓝牙扩展口、红外光电传感器连接口、DC电源接口、电机驱动口、电源开关和复位按键。

6.根据权利要求1所述的摩擦力及摩擦系数实验与测量装置，其特征在于：所述显示控制端还包括分析绘图模块，它可以根据测的的数据，绘制摩擦力随时间变化的曲线图像、摩擦力随压力变化的曲线图像或摩擦力随拉力变化的曲线图像。

7.一种摩擦力及摩擦系数测量方法，包括以下步骤：

a、开机后系统自检，若有异常，提示错误信息，若无异常，进入“模式选择”；

b、“模式选择”下包含“实验模式”和“测量模式”，选择“实验模式”后进入步骤c，选择“测量模式”后进入步骤d；

c、实验模式

c1、待设备的称重指示灯亮起后，将所测物体放到称重盘，待数值稳定后选择“导入”后进入“确认导入”界面，如果对所测质量没有质疑，则按下“确认”键；

c2、按下电机按键，液晶显示屏显示拉力值；

c3、按下“锁定”键，拉力值被锁定，然后记录数值；

c4、实验完成后，如果还要继续进行实验测量，则按下“退线”键完成退线后可再次实验；

c5、如果要结束实验，则按下“结束”键，返回到“模式选择”界面；

d、测量模式

d1、选择“测量模式”后，进入“压力测量”界面，待设备的称重指示灯亮起后，将所测物体放到称重盘，待压力数值稳定后选择“导入”后进入“确认导入”界面，如果对所测质量没有质疑，则按下“确认”键；

d2、压力数值被导入后，出现“是否开始”确认界面，选择“确认”键后，电机转动，进入自动测量模式；

d3、测量完成后，系统发出警报声，并在液晶显示屏上显示所测最大静摩擦力、滑动摩擦力以及摩擦系数；

d4、测量完成后，如果想结束测量，或者再次进行“测量模式”，可按下“结束”键，返回到“模式选择”界面。

8.根据权利要求7所示的摩擦力及摩擦系数测量方法，其特征在于，在步骤d中，还包括分析绘图选项，选择分析绘图选项后，可以选择在液晶显示屏上显示摩擦力随时间变化的图像、摩擦力随压力变化的图像或摩擦力随拉力变化的图像。