CN107101936A - 一种测定摩擦系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量仪器技术领域，更具体地，涉及一种测定摩擦系数的装置及方法，所述装置包括底座、滑道、标准样品、待测样品、直线步进电机，底座与滑道的一端铰接，标准样品固定在滑道上，直线步进电机连接滑道，直线步进电机控制滑道的倾斜角度，测定摩擦系数的装置还包括第一光电传感器、第二光电传感器、位移传感器、控制系统，第一光电传感器、第二光电传感器固定在滑道上，第一光电传感器位于标准样品远离底座与滑道铰接处的一端，第二传感器位于标准样品另一端，位移传感器固定在底座上，与底座与滑道铰接处距离L，能够测量底座与滑道的垂直距离h，该装置结构简单、精度高、易操作。

Description

一种测定摩擦系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，更具体地，涉及一种测定摩擦系数的装置及方法。

背景技术

摩擦系数是一个重要的物性参数，目前测量摩擦系数的方法各式各样，但普遍存在结构复杂、精度低等问题，而市面上绝大多数测量摩擦系数的设备价格昂贵，且测定材料单一。已公开的中国专利201611123323.5虽能同时测定滑动摩擦系数和静摩擦系数，但仍存在成本高、结构复杂、弹簧老化影响精度等问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种测定摩擦系数的装置及方法，结构简单、精度高、易操作。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种测定摩擦系数的装置，包括底座、滑道、标准样品、待测样品、直线步进电机，所述的底座与滑道的一端铰接，所述的标准样品固定在滑道上，所述的直线步进电机连接滑道，所述的直线步进电机控制滑道的倾斜角度，所述的测定摩擦系数的装置还包括第一光电传感器、第二光电传感器、位移传感器、控制系统，所述的第一光电传感器、第二光电传感器固定在滑道上，所述的第一光电传感器位于标准样品远离底座与滑道铰接处的一端，所述的第二传感器位于标准样品另一端，所述的位移传感器固定在底座上，与底座与滑道铰接处距离L，能够测量底座与滑道的垂直距离h，所述的待测样品放置在滑道上第一光电传感器处，所述的控制系统控制直线步进电机的运转，并记录第一光电传感器、第二光电传感器、位移传感器的感应信号。该装置可以一次性检测最大静摩擦系数和滑动摩擦系数。

进一步地，还包括活动滑块、轴承，所述的直线步进电机包括丝杠，所述的丝杠连接轴承，所述的轴承活动连接滑块，所述的滑块与滑道滑动连接。提高装置的精度，方便对滑道的倾斜角度的控制。

进一步地，所述的滑道的上部设置有标准样品槽，所述的标准样品固定在标准样品槽内。使得标准样品固定更稳固，也方便更换。

进一步地，所述的滑道的下部设置有滑槽，所述的滑块设置在滑槽内，能够沿着滑槽滑动。方便滑块的滑动。

进一步地，所述的待测样品底部为待测材料，顶部为不锈钢块，待测材料与不锈钢块可拆卸连接。提高待测样品活动的稳定性(特别是质量较轻的样品)，同时方便更换待测材料。

进一步地，所述的控制系统为单片机控制系统。

一种测量摩擦系数的方法，包括以下步骤：

S1：启动直线步进电机，滑道倾斜角度增加；

S2：待测样品开始滑动的瞬间，第一光电传感器动作，控制系统开始计时；

S3：停止直线步进电机，控制系统读取位移传感器测量的h值，位移传感器距离底座与滑道铰接处的距离为L，位移传感器测量底座与滑道的垂直距离h，控制系统计算最大静摩擦系数μ_s；

S4：待测样品继续滑动，通过第二光电传感器时，第二光电传感器动作；

S5：控制系统停止计时，记录待测材料通过第一传感器与第二传感器之间的时间间隔t，计算滑动摩擦系数μ_k。

与现有技术相比，有益效果是：该测量装置结构简单、精度高、易操作、效率高，且能够同时测量最大静摩擦系数和滑动摩擦系数，进一步优化了传统测量摩擦系数的方法。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明标准样品槽结构示意图。

图3是本发明滑槽结构示意图。

图4是本发明待测样品结构及受力示意图。

图5是测量摩擦系数的方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1-5所示，由牛顿定律可得：

F_S＝μmg cosθ (公式1)；

F＝mgsinθ (公式2)；

当待测样品将从静止状态转变为运动状态时：

F≥F_S (公式3)；

在待测样品运动瞬间：

F＝F_S (公式4)；

F_S＝μ_smg cosθ＝F＝mg sinθ (公式5)；

待测样品由静止状态变成运动状态，静摩擦系数也转换为滑动摩擦系数：

F＞F_S (公式7)；

F-F_S＝ma (公式8)；

mg sinθ-μ_kmg cosθ＝ma (公式9)；

v₀＝0 (公式11)；

式中：F_S为摩擦力；F为沿斜面分力；μ摩擦系数；μ_s最大静摩擦系数；μ_k滑动摩擦系数；s滑动的距离；L位移传感器与滑道和底座活动端距离；h位移传感器位移；a滑动加速度；v₀初始速度；m待测样品质量；t滑动时间；g重力加速度；θ滑道倾斜角度。

一种测定摩擦系数的装置，包括底座11、滑道6、标准样品9、待测样品7、直线步进电机3，所述的底座与滑道的一端铰接，所述的标准样品固定在滑道上，所述的直线步进电机连接滑道，所述的直线步进电机3控制滑道的倾斜角度，所述的测定摩擦系数的装置还包括第一光电传感器8、第二光电传感器10、位移传感器2、控制系统1，所述的第一光电传感器8、第二光电传感器10固定在滑道上，所述的第一光电传感器8位于标准样品远离底座与滑道铰接处的一端，所述的第二传感器位于标准样品另一端，所述的位移传感器2固定在底座11上，与底座与滑道铰接处距离L，能够测量底座11与滑道6的垂直距离h，所述的待测样品7放置在滑道上第一光电传感器8处，所述的控制系统控制直线步进电机3的运转，并记录第一光电传感器8、第二光电传感器10、位移传感器2的感应信号，直线步进电机3带动滑道6的自由端向上运动，使得滑道6相对于水平面的倾斜角度为θ，当F≥F_S时，待测样品7将从静止状态转变为运动状态，在待测样品7运动瞬间，也即是第一光电传感器8动作时，F＝F_S，此时摩擦力为最大静摩擦力，摩擦系数为最大静摩擦系数，直线步进电机3停止，记录位移传感器2测量值，由式公式4-公式6可求得最大静摩擦系数μ_s。第一光电传感器8动作时同时启动计时，待测样品7由静止状态变成运动状态，静摩擦系数也转换为滑动摩擦系数，由牛顿定律可得公式8，此时待测样品7做匀加速运动，当运动到第二光电传感器10时，计时停止，记录时间间隔t，由公式9—公式13即可求得滑动摩擦系数μ_k，并通过控制系统1进行显示。

进一步地，该装置还包括活动滑块5、轴承4，所述的直线步进电机3包括丝杠，所述的丝杠连接轴承4，所述的轴承4活动连接滑块5，所述的滑块5与滑道6滑动连接。

进一步地，所述的滑道6的上部设置有标准样品槽61，所述的标准样品固定在标准样品槽61内。

进一步地，所述的滑道6的下部设置有滑槽62，所述的滑块5设置在滑槽62内，能够沿着滑槽62滑动。

进一步地，所述的待测样品7底部为待测材料71，顶部为不锈钢块72，待测材料71与不锈钢块72可拆卸连接。待测材料上面加不锈钢块，主要目的是用于测量比较轻的样品，提高仪器测试范围，重量比较大的样品可不加。

进一步地，所述的控制系统1为单片机控制系统。

一种测量摩擦系数的方法，包括以下步骤：

S1：启动直线步进电机，滑道倾斜角度增加；

S2：待测样品开始滑动的瞬间，第一光电传感器动作，控制系统开始计时；

S3：停止直线步进电机，控制系统读取位移传感器测量的h值，位移传感器距离底座与滑道铰接处的距离为L，位移传感器测量底座与滑道的垂直距离h，控制系统计算最大静摩擦系数μ_s；

S4：待测样品继续滑动，通过第二光电传感器时，第二光电传感器动作；

S5：控制系统停止计时，记录待测材料通过第一传感器与第二传感器之间的时间间隔t，计算滑动摩擦系数μ_k。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测定摩擦系数的装置，包括底座(11)、滑道(6)、标准样品(9)、待测样品(7)、直线步进电机(3)，所述的底座与滑道(6)的一端铰接，所述的标准样品(9)固定在滑道(6)上，所述的直线步进电机(3)连接滑道(6)，所述的直线步进电机(3)控制滑道(6)的倾斜角度，其特征在于，所述的测定摩擦系数的装置还包括第一光电传感器(8)、第二光电传感器(10)、位移传感器(2)、控制系统(1)，所述的第一光电传感器(8)、第二光电传感器(10)固定在滑道(6)上，所述的第一光电传感器(8)位于标准样品远离底座与滑道铰接处的一端，所述的第二传感器位于标准样品另一端，所述的位移传感器(2)固定在底座(11)上，所述的待测样品(7)放置在滑道(6)上第一光电传感器(8)处，所述的控制系统(1)控制直线步进电机(3)的运转，并记录第一光电传感器(8)、第二光电传感器(10)、位移传感器(2)的感应信号。

2.根据权利要求1所述的一种测定摩擦系数的装置，其特征在于，还包括活动滑块(5)、轴承(4)，所述的直线步进电机(3)包括丝杠，所述的丝杠连接轴承(4)，所述的轴承(4)活动连接滑块(5)，所述的滑块(5)与滑道(6)滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种测定摩擦系数的装置，其特征在于，所述的滑道(6)的上部设置有标准样品槽(61)，所述的标准样品(9)固定在标准样品槽(61)内。

4.根据权利要求2所述的一种测定摩擦系数的装置，其特征在于，所述的滑道(6)的下部设置有滑槽(62)，所述的滑块(5)设置在滑槽(62)内，能够沿着滑槽(62)滑动。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种测定摩擦系数的装置，其特征在于，所述的待测样品(7)底部为待测材料(71)，顶部为不锈钢块(72)，待测材料(71)与不锈钢块(72)可拆卸连接。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种测定摩擦系数的装置，其特征在于，所述的控制系统(1)为单片机控制系统。

7.利用权利要求1-6所述的一种测定摩擦系数的装置测量摩擦系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动直线步进电机，滑道倾斜角度增加；

S2：待测样品开始滑动的瞬间，第一光电传感器动作，控制系统开始计时；

S3：停止直线步进电机，控制系统读取位移传感器测量的h值，位移传感器距离底座与滑道铰接处的距离为L，位移传感器测量底座与滑道的垂直距离h，控制系统计算最大静摩擦系数μ_s；

S4：待测样品继续滑动，通过第二光电传感器时，第二光电传感器动作；

S5：控制系统停止计时，记录待测材料通过第一传感器与第二传感器之间的时间间隔t，计算滑动摩擦系数μ_k。