CN107340231B - 一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法，采用滚珠丝杠及步进电机结构，能够精确控制高速视频成像系统的位移，进而清晰获取测试昆虫在测试平台的位置信息，即离心运动的半径信息；采用与测试平台配合的转速传感器，能够准确、高精度获取测试平台的转速信息，极大提高了系统的测试精度与准确度；配合设置图像分析处理模块、转速信息分析模块、电机转速控制模块、离心力实时计算与显示模块，能够实现离心力（摩擦力、附着力）的在线实时测试及显示。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦力测试技术领域，尤其是一种针对昆虫的附着力或摩擦力进行测试，且测试精度可达微牛级、能够在线实时测试并显示、测试准确度更高的离心式测力系统及测试方法。
背景技术
在研究机械化滑移捕集治理农业灾害昆虫过程中，需要测试甲虫、飞蛾、蚂蚁等体型较小昆虫在材料表面的产生的附着力、摩擦力等力学数据，如果采取以测力传感器为核心部件的常规测试技术及方法，难以实现毫牛级微力的精确测试。目前公知的测力系统所采用核心单元是测力传感器，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9.8毫牛，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、飞蛾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1毫牛，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，显著提高了测力系统的成本。
目前，针对现有的传感器微力测试系统测量精度不高的问题，市场上出现了不以测力传感器为核心部件的微力测试系统。文献“离心式昆虫微力测试系统设计”[王立新，河北科技大学学报,2014,35(1):1-6.]与发明人提交申请的发明专利（申请号：201210577820.8）中阐述了一种离心式测微力系统，主要包括调速电机、转速控制及显示单元、测试平台、高帧数视频监控系统等；通过这些部件，可获取用以计算离心力的转速、半径等信息，最终可计算出昆虫的附着力和摩擦力；该系统的测量精度在理论上最高可达0.01毫牛，能够解决现有测力系统分辨力低的问题。但该系统由于电机和机座为一体结构，电机安装支架采用的是非对称结构，在测量时电机的振动会影响高帧数视频监控系统的采集清晰度，从而对昆虫的离心运动轨迹测量产生误差，影响系统的测试准确度；更为明显的是，该系统中离心运动的转速信息获取依靠附属于调速电机的转速控制及显示单元，实际转速获取的精度和准确度受到限制，严重制约了系统的实际测试精度。发明申请人已获授权的实用新型专利ZL201620712022.5涉及的离心式毫牛尺度微力测试系统，该测微力系统主要包括底座圆盘和调速电机，底座圆盘通过电机支架与调速电机连接，在调速电机的输出轴上设有与底座圆盘平行设置的测试平台，在测试平台的正上方设有视频监控器，底座圆盘的中心位置设有通孔，调速电机置于通孔内。本测微力系统通过整体结构上的改进，可最大限度地消除电机振动对测试结果的影响。但是上述测微力系统中，用视频监控系统在高度调节时，依靠的是连杆之间的通孔，调节的准确度低，影响高帧数视频监控系统对测试平台图像的采集清晰度，制约测试昆虫离心运动半径信息的准确获取。更为重要的是，该系统中离心运动转速信息的获取依旧依靠附属于调速电机的转速控制及显示单元，实际转速获取的精度和准确度受到限制，严重制约了系统的实际测试精度。
文献“蚂蚁附着力的测试及ANSYS分析”[周群，同济大学学报（自然科学版）,2008,36(5):670-673]中提及的一种基于高速高速图像反馈的粘着力测试平台。该测力平台由伺服电机驱动,电机转速由工控机控制,蚂蚁被放在测试平台上进行测试；高达100帧每秒的高速摄像机能够获蚂蚁离心运动的半径信息，工控机可反馈离心运动的转速信息，据此可计算出蚂蚁在材料表面的粘附力。该文献公开的粘附力测试平台，虽能测试蚂蚁产生的毫牛尺度的粘附力，但其离心运动的转速信息有工控机采集，精度只能控制在10r/min的水平，因此严重制约了粘附力的实际测试精度。发明专利CN102252960A公开了一种测量物体间粘附力的装置及其测试方法，该装置主要包括待测样品安装固定装置、衡块固定安装装置、旋转测速装置和视频处理模块，通过装置获取离心运动的转速、半径等信息，进而计算出离心运动的离心力，即为粘附力。该装置能够测试物体间的粘附力，但由于其整体结构上存在的问题，易将电机的振动传导至待测样品安装固定装置，造成高速摄像机采集图像清晰度的降低，进而影响离心运动半径信息的精确获取。此外，该装置的离心运动转速信息是由安装在电机输出轴上的测速传感器获取，精度较低，显著影响粘附力的最终测试精度。该装置的测力精度为0.1N级，难以满足昆虫在材料表面产生的毫-微牛级的附着力、摩擦力。
以上文献、发明专利、实用新型等材料涉及的离心式测力装置，除了在测试精度、准确度存在不足外，均是通过相应的装置获取离心运动的半径、转速等信息，然后通过后续的计算获取离心力，进而求得粘附力、摩擦力或附着力。因此，有必要在保持离心式微力测试原理的基础上，创新性优化设计离心式测力系统的整体结构，不仅要将系统的测试精度提高到微牛级，还要提高系统的测试准确度，并要配合相应软件模块以实现离心力（摩擦力、附着力）的在线实时测试及显示。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法，该系统采用传动控制机构、传感设备以及信息处理系统相互配合，实现离心力（摩擦力、附着力）的在线实时测试及显示，保证系统的测试精度与准确度达到微牛级，满足体型较小昆虫在材料表面产生的离心力在线测试要求。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于包括测试平台组件、高速视频成像系统组件、电机组件、底座组件、右立板、左立板、侧部安全罩、顶部安全罩、步进电机控制模块、图像分析处理模块、高精度称重模块、转速信息分析模块、电机转速控制模块和离心力实时计算与显示模块，其中测试平台组件正下方设置为其提供动力的电机组件，测试平台组件正上方设置可上下滑动的高速视频成像系统组件，右立板和左立板分别设置于电机组件左右两侧，并支撑测试平台组件；所述测试平台组件、高速视频成像系统组件和电机组件通过弧形的侧部安全罩和圆形的顶部安全罩包围，底座组件作为基座，固定侧部安全罩、右立板、左立板、高速视频成像系统组件和电机组件；步进电机控制模块连接高速视频成像系统组件中的步进电机，控制高速视频成像系统组件中的高速摄像头上下移动；图像分析处理模块与图像分析处理模块中的高速摄像头连接，处理高速摄像头拍摄的昆虫在测试材料表面运动轨迹图像；高精度称重模块为独立模块，获取测试昆虫的质量信息；转速信息分析模块与测试平台组件连接，采集测试平台组件的转速信息；电机转速控制模块与电机组件连接，控制电机组件中电机转速；离心力实时计算与显示模块分别与图像分析处理模块、高精度称重模块、转速信息分析模块和电机转速控制模块连接，把采集的信息进行处理和展示。
优选的，所述测试平台组件包括圆形的测试平台，在测试平台表面周边均布圆孔，在测试平台一侧设置有转速测试传感器，转速测试传感器的采集端与圆孔对应，转速测试传感器的支座通过左固定立柱和右固定立柱支撑于底座组件上，并且转速测试传感器可沿左固定立柱和右固定立柱上下滑动，转速测试传感器的传感器接线端与转速信息分析模块连接；测试平台上表面沿径向设有标尺；在测试平台的正下方设有支架，支架下方设有上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板中心分别设有上轴承和下轴承，其中支架穿过上轴承和下轴承，并与下方的电机组件连接；上支撑板和下支撑板的侧边设于右立板和左立板的卡槽内，并通过螺栓固定，右立板和左立板支撑于底座组件上。
优选的，所述高速视频成像系统组件包括高速CCD摄像头以及支撑高速CCD摄像头的摄像头支架，摄像头支架底部设置LED灯光源，摄像头支架的两端分别设置在两个竖向布置的滚珠丝杠滑块组件上，在滚珠丝杠滑块组件上端均设有步进电机，滚珠丝杠滑块组件下端通过滚珠丝杠丝杆与滚珠丝杠底部固定组件连接，滚珠丝杠滑块组件和滚珠丝杠底部固定组件两端均通过前支杆和后支杆支撑，前支杆和后支杆底端固定于底座组件上。
优选的，所述滚珠丝杠滑块组件包括外嵌块和内嵌块，外嵌块包围内嵌块，在内嵌块的中心嵌套有轴承，轴承与滚珠丝杠丝杆的顶部固定连接，外嵌块两端设置有支杆固定孔，两个支杆固定孔分别与前支杆和后支杆滑动配合。
优选的，滚珠丝杠底部固定组件包括固定组件内嵌块和固定组件外嵌块，固定组件外嵌块包围固定组件内嵌块，在固定组件内嵌块中心设有丝杠固定孔，丝杠固定孔与滚珠丝杠丝杆下端固定，固定组件外嵌块两端表面设有支杆定位孔，两个支杆定位孔分别与前支杆和后支杆定位固定。
优选的，所述电机组件包括电机，电机的输出轴向上，并与联轴器配合，电机通过电机支架与右立板和左立板内侧设置的定位槽固定配合，在电机的侧面设置转速控制接口和电机电源接口。
优选的，所述底座组件包括阶梯型的圆盘，在圆盘的台阶处设有固定侧部安全罩的螺孔，在圆盘的中心部位设有电机沉降槽，电机沉降槽与电机组件对正，并把电机组件中电机置于电机沉降槽内，在圆盘的下表面均匀分布有调平螺母，圆盘通过两个L型构件分别于左立板和右立板固定连接，两个L型构件相对分布于电机沉降槽的两侧。
优选的，所述侧部安全罩为260°的弧形板，该弧形板的上部设有步进电机引线孔和高速CCD摄像头引线孔，在弧形板的中部设有转速测试传感器引线孔，在弧形板的下部设有电机引线孔；所述顶部安全罩上设有步进电机固定螺孔、滚珠丝杠支杆上部固定孔和固定立柱顶部固定孔。
一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）采用高精度称重模块测试昆虫的质量信息m，获取并输入离心力实时计算与显示模块；
（2）测试材料铺设于测试平台上并固定，测试昆虫放置于测试材料上；
（3）通过步进电机控制模块调整步进电机，使高速CCD摄像头能够清晰采集测试昆虫在测试平台的离心运动轨迹图像；
（4）启动电机、高速CCD摄像头和转速测试传感器，以及图像分析和处理模块、转速信息分析模块、离心力实时计算与显示模块，通过调整电机转速控制模缓慢增加测试平台的转速，直至测试昆虫临界脱离测试材料表面；
（5）在步骤4中，高速CCD摄像头采集测试昆中在测试材料表面的离心运动轨迹图像并传输给图像分析处理模块，经分析处理后获取测试昆虫的离心运动半径信息，实时传输给离心力实时计算与显示模块；
（6）在步骤4中，转速测试传感器通过计数方式获取测试平台上圆孔的个数并输出脉冲，转速信息分析模块采集输出的脉冲并换算成测试昆虫离心运动的转速信息，实时传输给离心力实时计算与显示模块；
（7）结合预先输入的测试昆虫的质量信息，离心力实时计算与显示模块实时计算测试昆虫的离心力并显示，由此，可获取测试昆虫脱离测试材料时刻的离心力，即为附着力、摩擦力。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有离心式微力测试系统相比，本发明涉及的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法，在测试平台外侧设置小孔并配合采用测试平台转速测试传感器，实现转速信息的精确、稳定获取；采用滚珠丝杠与步进电机系统调整高速CCD摄像头与测试平台间的距离，使高速CCD摄像头能够清晰采集测试昆虫在测试材料表面的运动轨迹图像，充分提高了离心运动半径信息获取的准确度；并设置图像分析和处理模块、转速信息分析模块、离心力实时计算与显示模块，实现离心力（附着力、摩擦力）的在线测试与实时显示。因此，该系统不仅能够将测试精度提高到微牛级，还能实现离心力的在线实时测试并显示，以及显著提高测试准确度。
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是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中测试平台组件结构主视图；
图3是图2的左视图；
图4是图2中测试平台的俯视图；
图5是本发明中高速视频成像系统组件结构示意图；
图6是图5另一个角度的示意图；
图7是本发明中滚珠丝杠滑块组件结构俯视图；
图8是本发明中滚珠丝杠底部固定组件结构俯视图；
图9是本发明中电机组件和底座的结构示意图；
图10是图9主视图；
图11是底座的结构示意图；
图12是本发明中底座组件底部结构仰视图；
图13是本发明中侧部安全罩结构主视图；
图14是图13的左视图；
图15是本发明中顶部安全罩结构俯视图。
图中：1、测试平台组件；1-1、测试平台；1-2、支架；1-3、支架固定螺钉；1-4、上支撑板；1-5、上轴承；1-6、上支撑板固定螺钉；1-7、下支撑板；1-8、下轴承；1-9、下支撑板固定螺栓；1-10、转速测试传感器；1-10-1、传感器接线端；1-11、左固定立柱；1-12、右固定立柱；1-13、圆孔；1-14、标尺；2、高速视频成像系统组件；2-1、高速CCD摄像头；2-2、摄像头支架；2-3、支架固定螺栓；2-4、滚珠丝杠滑块组件；2-4-1、轴承；2-4-2、内嵌块；2-4-3、内嵌块固定螺钉；2-4-4、外嵌块；2-4-5、支杆固定孔；2-5、滚珠丝杠底部固定组件；2-5-1、丝杠固定孔；2-5-2、固定组件内嵌块；2-5-3、固定组件内嵌块固定螺孔；2-5-4、支杆定位孔；2-5-5、固定组件外嵌块；2-6、步进电机；2-7、步进电机联轴器；2-8、LED灯光源、2-9、滚珠丝杠丝杆；2-10、前支杆；2-11、后支杆；3、电机组件；3-1、电机；3-2、电机支架；3-3、电机固定螺栓；3-4、电机支架固定螺钉；3-5、联轴器；3-6、转速控制接口；3-7、电机电源接口；4、底座组件；4-1、L型构件；4-2、固定螺钉；4-3、调平螺母；4-4、电机沉降槽；4-5、L型构件固定孔；4-6、测试平台转速测试传感器固定立柱底部固定孔；4-7、侧部安全罩固定螺孔；4-8、滚珠丝杠支杆下部固定孔；4-9、侧部安全罩安装台阶；4-10、立板固定螺孔；4-11、调平螺母固定螺孔；5、右立板；6、左立板；7、侧部安全罩；7-1、固定螺孔；7-2、电机引线孔；7-3、转速测试传感器引线孔；7-4、高速CCD摄像头引线孔；7-5、步进电机引线孔；8、顶部安全罩；8-1、步进电机固定螺孔；8-2、滚珠丝杠支杆上部固定孔；8-3、固定立柱顶部固定孔；9、步进电机控制模块；10、图像分析处理模块；11、高精度称重模块；12、转速信息分析模块；13、电机转速控制模块，14、离心力实时计算与显示模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明涉及的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
依据物理学知识，有离心力计算公式F=mω2r，即F=mrn2π2/900，其中，m表示做离心运动物体的质量，kg；r表示物体做离心运动的半径，m；n表示物体做离心运动的转速，r/min。因此，通过获取质量m、离心运动半径r、离心运动转速n这3个参数，可获取做离心运动的测试昆虫被甩出测试材料的时刻所承受的离心力，即为摩擦力。测试昆虫的质量m可通过高精度称重模块获取，其余两个参数是影响摩擦力测试精度与准确性的关键，基于此，设计了离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其主要结构及功能如下所述。
如图1所示，离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统的整体结构主要由测试平台组件1、高速视频成像系统组件2、电机组件3、底座组件4、右立板5、左立板6、侧部安全罩7、顶部安全罩8、步进电机控制模块9、图像分析处理模块10、高精度称重模块11、转速信息分析模块12、电机转速控制模块13、离心力实时计算与显示模块14组成。
该系统的首要部件是测试平台组件1，其主要功能是为测试材料、测试昆虫的放置提供平台，并能便于准确读取测试昆虫做离心运动被甩出时刻的半径信息。高速视频成像系统2组件是另一重要部件，用于实时监控测试平台，获取测试昆虫在测试材料表面的运动轨迹图像；基于Matlab编写图形分析处理软件，可分析处理高速视频成像系统保存的图像，通过比例换算能够自动、精确获取测试昆虫做离心运动被甩出测试平台时刻的半径信息。电机组件3为测试平台的离心运动提供电源，底座组件4为测试平台组件1、高速视频成像系统组件2、电机组件3提供固定安装的载体。
如图1、图2、图3和图4所示，测试平台组件1的核心部件是测试平台1-1，可为测试昆虫、测试材料的放置提供载体；为最大限度地降低扭矩，测试平台1-1采用质轻、刚性好的铝合金材质，加工成半径为120-160毫米、厚度2-4毫米的圆盘形。测试平台1-1通过支架固定螺钉1-3与支架1-2连接。支架1-2安装在上支撑板1-4中心的上轴承1-5中，上支撑板1-4通过上支撑板固定螺钉1-6分别与该系统的右立板5、左立板6固定连接，为实现精确安装，右立板5、左立板6的安装部位分别设置定位槽；支架1-2还安装于下支撑板1-7中心的下轴承1-8中，下支撑板1-7通过下支撑板固定螺钉1-9分别与该系统的右立板5、左立板6固定连接，右立板5、左立板6的安装部位同样也分别设置定位槽；支架1-2通过联轴器获取电机输出的动力，为测试平台1-1的离心运动提供动力源。为实现测试平台1-1离心运动转速信息的精确、稳定采集，测试平台1-1外侧设置转速测试传感器1-10，其分别通过左固定立柱1-11、右固定立柱1-12固定在底座组件4上，转速测试传感器1-10的传感器接线端1-10-1可实现工作电源的传输和采集信号的输送。为确保转速测试传感器1-10能够精确采集测试平台1-1离心运动的转速信息，即确保最大限度地提高转速信息的采集精度，测试平台1-1外侧设置100-200个直径为1mm、圆心距为2mm的圆孔1-13，因此可将转速信息的采集精度提高到0.005r/min。为精确获取测试昆虫在测试平台1-1上做离心运动时的半径信息，以测试平台1-1的圆心为起点设置以毫米为最小单位的标尺1-14，标尺1-14的长度设置为100毫米。
如图1、图5、图6、图7和图8所示，高速视频成像系统组件2是获取测试昆虫在测试平台（测试材料）表面做离心运动被甩出时刻的半径信息的关键。高速CCD摄像头2-1是高速视频成像系统组件2的核心部件，采用工业级彩色CCD摄像头，在保证80万像素的前提下每秒采集图像帧数最高可达300，即该高速CCD摄像头2-1最高每秒可采集300幅图像，能够确保清晰反应昆虫在测试材料上的离心运动轨迹。高速CCD摄像头2-1通过摄像头支架2-2、支架固定螺栓2-3连接到滚珠丝杠滑块组件2-4上；滚珠丝杠组件2-4的设置，是为了实现高速CCD摄像头2-1与测试平台2-1距离的精确调整与稳定控制，以便清晰采集测试平台上测试昆虫的运动轨迹视频，配合基于Matlab编写的图像分析处理软件，对CCD摄像头2-1采集保存的图像进行分析，从而能够准确获取测试昆虫在测试平台（测试材料）上做离心运动时的半径信息。
滚珠丝杠滑块组件2-4中，轴承2-4-1嵌套在内嵌块2-4-2的中心位置，与滚珠丝杠丝杆2-9的顶部固定连接；滚珠丝杠丝杆2-9通过步进电机联轴器2-7与步进电机2-6的输出轴相连，实现步进电机2-6输出动力到高速CCD摄像头2-1的传输。内嵌块2-4-2设置内嵌块固定螺钉2-4-3，实现与外嵌块2-4-4的固定连接；外嵌块2-4-4的路两端设置支杆固定孔2-4-5，实现前支杆2-10、后支杆2-11的固定连接，以确保步进电机2-6的转动顺利转换成高速CCD摄像头2-1沿竖直方向的平动。
滚珠丝杠底部固定组件2-5中，丝杠固定孔2-5-1位于固定组件内嵌块2-5-2中心位置，起到固定滚珠丝杠丝杠2-9下端的左右；固定组件内嵌块2-5-2通过固定组件内嵌块固定螺孔2-5-3及配合螺栓，实现与固定组件外嵌块2-5-5的固定安装；固定组件外嵌块2-5-5的两端设置支杆定位孔2-5-4，实现前支杆2-10、后支杆2-11的定位安装。前支杆2-10、后支杆2-11穿过滚珠丝杠底部固定组件2-5后，与底座组件4固定安装。
为进一步提高高速CCD摄像头2-1对测试平台1-1上测试昆虫离心运动轨迹采集的清晰度，高速CCD摄像头2-1的两侧，即摄像头支架2-2的底部，设置LED光源2-8。高速CCD摄像头2-1的中心线与测试平台1-1的转动中心线重合，以能够实现对测试平台总体形貌的采集。
如图1、图9、图10所示，电机3-1是电机组件3的关键部件，能够为测试平台1-1的离心运动提供动力；该系统并无减速装置，故电机3-1的转速即为测试昆虫做离心运动的转速信息。电机3-1通过电机固定螺栓3-3安装在电机支架3-2上，电机支架3-2通过电机支架固定螺钉3-4固定到右立板5、左立板6上；为保证电机3的精确安装，在的内侧设置定位槽，以便电机支架3-2与右立板5、左立板6的垂直固定。电机3-1的输出轴上部设置联轴器3-5，以使电机3的动力传输至测试平台1-1；设置电机电源接口3-6和电机转速控制系统接口3-7，以方便电机3的启停和电机转速（测试平台1-1转速）的控制。
如图1、图10、图11和图12所示，底座组件4为本发明基础部件，即为该系统测试平台组件1、高速视频成像系统组件2、电机组件3的安装载体。为实现右立板5、左立板6在底座组件4上的垂直安装及增强系统运行的稳定性，设置L型构件4-1和固定螺栓4-2，同时固定连接右立板5、左立板6和底座组件4。为保证本发明的水平度，底座组件4的底部设置3个调平螺母4-3。为降低该系统的重心，提高系统运行时的稳定性，底座组件4的中心设置电机沉降槽4-4，使电机3-1沉入；为便于L型构件4-1的固定安装，底座上面设置L型构件固定孔4-5；底座组件4的侧部设置两个测试平台转速测试传感器固定立柱底部固定孔4-6，以稳定安装左固定立柱1-11和右固定立柱1-12。为实现侧部安全罩7的固定安装，底座组件外侧设置侧部安全罩固定螺孔4-7和侧部安全罩安装台阶4-9；底座组件4的上面设置滚珠丝杠支杆下部固定孔4-8，以实现滚珠丝杠前支杆2-10和滚珠丝杠后支杆2-11在底座组件4上的固定安装。底座组件4的底部设置立板固定螺孔4-10，以实现右立板5、左立板6在底座组件4上的固定安装；底座组件4的底部还设置3组调平螺母固定螺孔4-11，以便实现调平螺母4-10在底座组件4的安装。
为保障测试人员在操作的安全，设置260°的侧部安全罩7与圆形顶部安全罩8。侧部安全罩7底部设置固定螺孔7-1，以便侧部安全罩7在底座组件4的简便安装。侧部安全罩7设置直径为30-60mm的电机引线孔7-2，以将电机转速控制系统接口3-6与电机电源接口3-7的导线简便引出；侧部安全罩7设置直径为20-50mm的转速测试传感器引线孔7-3，以将转速测试传感器1-10的电源线和信号线引出；侧部安全罩7设置直径为20-50mm的高速CCD摄像头引线孔7-4，以将高速CCD摄像头2-1的电源线和信号线，以及LED光源2-8的电源线引出；侧部安全罩7设置直径为20-50mm的两个步进电机引线孔7-5，以将控制高速CCD摄像头2-1在竖直方向移动的步进电机的电源线和控制线引出。圆形顶部安全罩8外侧，设置两组步进电机固定螺孔8-1，实现步进电机2-6的固定；设置两组滚珠丝杠支杆上部固定孔8-2，实现滚珠丝杠前支杆2-10和滚珠丝杠后支杆2-11的固定安装；设置两个固定立柱顶部固定孔8-3，实现左固定立柱1-11和右固定立柱1-12的固定安装。
如图1所示，步进电机控制模块9与穿过步进电机引线孔7-5的步进电机控制线相连接，基于单片机编写步进电机控制程序，实现步进电机的转动步数的精确控制，即可实现高速CCD摄像头到测试平台距离的精确控制，最大限度地提高对测试昆虫离心运动轨迹图像采集的清晰度。图像分析处理模块10的核心是基于Matlab编写的数据处理与分析软件，可首先将高速CCD摄像头2-1采集的测试昆虫离心运动轨迹视频转换成图像，再对图像进行二值化处理，辨识测试平台1-1上的测试昆轮廓，结合测试平台上1-1的标尺1-14，比例换算成测试昆虫离心运动的半径信息。电机转速控制模块13是基于单片机编写控制及转速显示程序，与电机转速控制系统接口3-6相连接，能够实现电机3-1转速的控制与粗略显示。转速信息分析模块12与转速测试传感器1-10的信号输出端相连，其核心是基于LabVIEW编写的转速测试传感器1-10输出脉冲采集和转速信息分析显示程序，能够将转速测试传感器1-10的输出脉冲经过分析处理，换算成测试平台1-1的转速信息，精度为0.005r/min。采用高精度称重模块11可精确获取测试昆虫的质量信息，以用于计算离心力。离心力实时计算与显示模块14的核心是基于Matlab编写的软件，能够实时获取图像分析处理模块10输出的离心运动半径信息、电机转速控制模块13和转速信息分析模块12输出的离心运动转速信息，结合预先输入的测试昆虫的质量信息，可实现测试昆虫在测试材料表面离心力的实时计算与显示。
采用上述系统，对体型较小昆虫在材料表面产生的附着力、摩擦力的测试方法：测试昆虫的质量信息m可在测试开始前采用高精度称重模块获取并输入离心力实时计算与显示模块；测试材料固定在测试平台上，测试昆虫放置于测试材料上。通过步进电机控制模块调整步进电机，使高速CCD摄像头能够清晰采集测试昆虫在测试平台的离心运动轨迹图像；同时启动电机、高速CCD摄像头和测试平台转速测试传感器，以及图像分析和处理模块、转速信息分析模块、离心力实时计算与显示模块，通过调整电机转速控制模缓慢增加测试平台的转速，直至测试昆虫临界脱离测试材料表面。在此过程中，高速CCD摄像头采集测试昆中在测试材料表面的离心运动轨迹图像并传输给图像分析和处理模块，经分析处理后获取测试昆虫的离心运动北半径信息，实时传输给离心力实时计算与显示模块；测试平台转速测试传感器能够计数测试平台上圆孔的个数并输出脉冲，转速信息分析模块采集输出的脉冲并换算成测试昆虫离心运动的转速信息，实时传输给离心力实时计算与显示模块；结合预先输入的测试昆虫的质量信息，离心力实时计算与显示模块实时计算测试昆虫的离心力并显示。由此，可获取测试昆虫脱离测试材料时刻的离心力，即为附着力、摩擦力。
本发明的测试实例：测试开始前，采用精度为0.005mg的电子称重天平，称得测试甲虫的体重为34.565mg，并输入离心力实时计算与显示模块14。以1200目的砂纸作为测试材料，把砂纸固定在测试平台1-1上，把甲虫放在砂纸上；通过步进电机控制模块9启动步进电机2-6，调整高速CCD摄像头2-1到测试平台1-1的距离，使能够清晰采集测试昆虫在测试材料表面的运动轨迹图像；同时启动高速CCD摄像头2-1和转速信息分析模块12，将高速CCD摄像头的帧数设置为180，即每秒采集180幅测试昆虫在测试材料表面的运动轨迹图像；同时启动电机3-1、电机转速控制模块13、转速测试传感器1-10、转速信息分析模块12，调整电机转速控制模块13，使测试平台1-1的转速缓慢增加，直至测试昆虫临界脱离测试材料表面。在此过程中，高速CCD摄像头2-1采集测试昆中在测试材料表面的离心运动轨迹图像并传输给图像分析和处理模块10，经分析处理后获取测试昆虫的离心运动半径信息，实时传输给离心力实时计算与显示模块14；转速测试传感器1-10能够计数圆孔1-13的个数并输出脉冲，转速信息分析模块12采集输出的脉冲并换算成测试昆虫离心运动的转速信息，实时传输给离心力实时计算与显示模块14；结合预先输入的测试昆虫的质量信息，离心力实时计算与显示模块14实时计算测试昆虫的离心力并显示。由此，可获取测试昆虫脱离测试材料时刻的离心力，即为所离心力实时计算与显示模块14实时显示的最大值。该次测试过程中，测试昆虫脱离测试材料时刻，转速信息分析模块12采集的离心运动转速信息为n=318.525r/min，图像分析处理模块10采集的离心运动半径信息为r=86.908mm，离心力实时计算与显示模块14计算获取的最大离心力为F=mrn2π2/900=3.343mN。由此，获取甲虫在粒度为1200目砂纸表面的最大附着力（摩擦力）为3.342mN。
Claims (6)
1.一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于包括测试平台组件（1）、高速视频成像系统组件（2）、电机组件（3）、底座组件（4）、右立板（5）、左立板（6）、侧部安全罩（7）、顶部安全罩（8）、步进电机控制模块（9）、图像分析处理模块（10）、高精度称重模块（11）、转速信息分析模块（12）、电机转速控制模块（13）和离心力实时计算与显示模块（14），其中测试平台组件（1）正下方设置为其提供动力的电机组件（3），测试平台组件（1）正上方设置可上下滑动的高速视频成像系统组件（2），右立板（5）和左立板（6）分别设置于电机组件（3）左右两侧，并支撑测试平台组件（1）；所述测试平台组件（1）、高速视频成像系统组件（2）和电机组件（3）通过弧形的侧部安全罩（7）和圆形的顶部安全罩（8）包围，底座组件（4）作为基座，固定侧部安全罩（7）、右立板（5）、左立板（6）、高速视频成像系统组件（2）和电机组件（3）；步进电机控制模块（9）连接高速视频成像系统组件（2）中的步进电机，控制高速视频成像系统组件（2）中的高速摄像头上下移动；图像分析处理模块（10）与图像分析处理模块（10）中的高速摄像头连接，处理高速摄像头拍摄的昆虫在测试材料表面运动轨迹图像；高精度称重模块（11）为独立模块，获取测试昆虫的质量信息；转速信息分析模块（12）与测试平台组件（1）连接，采集测试平台组件（1）的转速信息；电机转速控制模块（13）与电机组件（3）连接，控制电机组件（3）中电机转速；离心力实时计算与显示模块（14）分别与图像分析处理模块（10）、高精度称重模块（11）、转速信息分析模块（12）和电机转速控制模块（13）连接，把采集的信息进行处理和展示；所述高速视频成像系统组件（2）包括高速CCD摄像头（2-1）以及支撑高速CCD摄像头（2-1）的摄像头支架（2-2），摄像头支架（2-2）底部设置LED灯光源（2-8），摄像头支架（2-2）的两端分别设置在两个竖向布置的滚珠丝杠滑块组件（2-4）上，在滚珠丝杠滑块组件（2-4）上端均设有步进电机（2-6），滚珠丝杠滑块组件（2-4）下端通过滚珠丝杠丝杆（2-9）与滚珠丝杠底部固定组件（2-5）连接，滚珠丝杠滑块组件（2-4）和滚珠丝杠底部固定组件（2-5）两端均通过前支杆（2-10）和后支杆（2-11）支撑，前支杆（2-10）和后支杆（2-11）底端固定于底座组件（4）上；所述电机组件（3）包括电机（3-1），电机（3-1）的输出轴向上，并与联轴器（3-5）配合，电机（3-1）通过电机支架（3-2）与右立板（5）和左立板（6）内侧设置的定位槽固定配合，在电机（3-1）的侧面设置转速控制接口（3-6）和电机电源接口（3-7）。
2.根据权利要求1所述的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于所述测试平台组件（1）包括圆形的测试平台（1-1），在测试平台（1-1）表面周边均布圆孔（1-13），在测试平台（1-1）一侧设置有转速测试传感器（1-10），转速测试传感器（1-10）的采集端与圆孔（1-13）对应，转速测试传感器（1-10）的支座通过左固定立柱（1-11）和右固定立柱（1-12）支撑于底座组件（4）上，并且转速测试传感器（1-10）可沿左固定立柱（1-11）和右固定立柱（1-12）上下滑动，转速测试传感器（1-10）的传感器接线端（1-10-1）与转速信息分析模块（12）连接；测试平台（1-1）上表面沿径向设有标尺（1-14）；在测试平台（1-1）的正下方设有支架（1-2），支架（1-2）下方设有上支撑板（1-4）和下支撑板（1-7），上支撑板（1-4）和下支撑板（1-7）中心分别设有上轴承（1-5）和下轴承（1-8），其中支架（1-2）穿过上轴承（1-5）和下轴承（1-8），并与下方的电机组件（3）连接；上支撑板（1-4）和下支撑板（1-7）的侧边设于右立板（5）和左立板（6）的卡槽内，并通过螺栓固定，右立板（5）和左立板（6）支撑于底座组件（4）上。
3.根据权利要求1所述的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于所述滚珠丝杠滑块组件（2-4）包括外嵌块(2-4-4）和内嵌块（2-4-2），外嵌块(2-4-4）包围内嵌块（2-4-2），在内嵌块（2-4-2）的中心嵌套有轴承(2-4-1），轴承(2-4-1）与滚珠丝杠丝杆（2-9）的顶部固定连接，外嵌块（2-4-4）两端设置有支杆固定孔（2-4-5），两个支杆固定孔（2-4-5）分别与前支杆（2-10）和后支杆（2-11）滑动配合。
4.根据权利要求1所述的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于滚珠丝杠底部固定组件（2-5）包括固定组件内嵌块（2-5-2）和固定组件外嵌块（2-5-5），固定组件外嵌块（2-5-5）包围固定组件内嵌块（2-5-2），在固定组件内嵌块（2-5-2）中心设有丝杠固定孔（2-5-1），丝杠固定孔（2-5-1）与滚珠丝杠丝杆（2-9）下端固定，固定组件外嵌块（2-5-5）两端表面设有支杆定位孔（2-5-4），两个支杆定位孔（2-5-4）分别与前支杆（2-10）和后支杆（2-11）定位固定。
5.根据权利要求1所述的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于所述底座组件（4）包括阶梯型的圆盘，在圆盘的台阶处设有固定侧部安全罩（7）的螺孔，在圆盘的中心部位设有电机沉降槽（4-4），电机沉降槽（4-4）与电机组件（3）对正，并把电机组件（3）中电机置于电机沉降槽（4-4）内，在圆盘的下表面均匀分布有调平螺母（4-3），圆盘通过两个L型构件（4-1）分别于左立板（6）和右立板（5）固定连接，两个L型构件（4-1）相对分布于电机沉降槽（4-4）的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统，其特征在于所述侧部安全罩（7）为260°的弧形板，该弧形板的上部设有步进电机引线孔（7-5）和高速CCD摄像头引线孔（7-4），在弧形板的中部设有转速测试传感器引线孔（7-3），在弧形板的下部设有电机引线孔（7-2）；所述顶部安全罩（8）上设有步进电机固定螺孔（8-1）、滚珠丝杠支杆上部固定孔（8-2）和固定立柱顶部固定孔（8-3）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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