CN110045190B - 一种面接触起电实时测量平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面接触起电实时测量平台，包括底座、频率调节装置、接触电极、载荷调节装置、力电信号测量装置。所述的频率调节装置包括可调速步进电机以及曲柄滑块机构，可以实现电极的接触频率可调。所述的载荷调节装置包括可调转角的步进电机和螺旋机构，实现接触电极之间的距离精准调节从而改变接触载荷。左、右接触电极分别安装在频率调节装置和载荷调节装置的末端，接触产生的电荷在两个电极之间通过电阻往复流动。力电信号测量装置将接触瞬间的载荷以及电流实时采集并存储。本发明能够实现接触起电的实时在线测量，并能详细记录到接触瞬时的电流信号波形，为接触起电的理论计算提供支撑，此外还可以调节接触时的频率和载荷影响因素。
Description
技术领域
本发明涉及测量仪器领域，尤其涉及电信号测量仪。
背景技术
接触/摩擦产生的静电作为一种近场的自然灾害源，在微电子器件、粉体、石油、化工的生产、加工过程中，给人类社会造成了巨大的损失与灾害。但同时它也有被合理应用的场所，比如静电分选是广泛应用于除尘、制药、选矿等行业中一种分离技术。近年来，在接触/摩擦起电研究和技术探索方面有新的进展。2012年以来，王中林等人基于摩擦起电和静电感应的原理，发明了摩擦纳米发电机，可以用来收集不同形式的机械能，包括人体运动、振动、机械触发、风能和水能，同时也可作为各式各样的传感器(Wang Z L.TriboelectricNanogenerators as New Energy Technology for Self-Powered Systems and asActive Mechanical and Chemical Sensors.ACS Nano,2013,7(11):9533-9557.)。2014年，Izadi H等人首次提出了壁虎的粘附力与壁虎的脚掌与附着物之间的摩擦起电的电荷量有关，为探索壁虎的粘附效应提供了新的思路(Izadi H,Stewart K M E,PenlidisA.Role of contact electrification and electrostatic interactions in geckoadhesion.Journal of The Royal Society Interface,2014,11(98):20140371.)。综上所述，无论是接触/摩擦静电给工业带来的危害，还是利用静电发明新技术，亦或是解释自然界的奇特现象，都离不开对接触/摩擦起电的深入的研究。
实验作为科学研究的基本方法之一，是极其重要的，同时为理论推导提供强有力的支撑。目前，接触起电的实现原理有曲柄滑块机构、凸轮导杆机构以及激振器实现。常见的是曲柄滑块机构实现，如公开号为CN102879659A的中国专利，该发明可以控制接触材料的温度、接触时间，但是对于接触时间的控制需要移动电机的位置，此外对于电荷的测量主要利用法拉第杯与静电计组合测量。同时还对球-板摩擦起电进行过研究，公告号为CN205487037U的中国专利公开一种能够对摩擦力-电实时测量的装置，该发明控制因素多且控制方便，但是是针对球板摩擦副，此外目的还是仅仅收集电荷量，而无电信号的收集。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种可以调节接触载荷和频率并能够实时在线获取接触起电过程的力电信号的测量平台。
技术方案：本发明可采用以下技术方案：
一种面接触起电实时测量平台，包括频率调节装置、载荷调节装置、力电信号测量装置、左接触电极、右接触电极；
所述频率调节装置包括转速控制器、第一步进电机、偏心盘、连杆、滑杆、直线轴承、左施力块，所述的转速控制器与第一步进电机相连接，第一步进电机的输出轴与偏心盘固定连接、偏心盘与连杆一端铰接并带动连杆摆动，连杆与第一步进电机的输出轴垂直，连杆另一端与滑杆一端铰接，连杆的摆动带动滑杆在直线轴承的限制下直线往复滑动，滑杆的另一端与左施力块相连接，左施力块与左接触电极接触；
所述载荷调节装置包括角度控制器、第二步进电机、丝杆式直线滑台、直角连接板、力传感器、连接板、右施力块，所述的角度控制器与第二步进电机相连接，第二步进电机的输出轴与丝杆式直线滑台的丝杆相连接并带动丝杆转动，丝杆式直线滑台与直角连接板相连接，所述的直角连接板前端与力传感器相连接，所述的力传感器与右施力块相连接，右施力块与右接触电极接触；
力电信号采集装置包括电阻、示波器、称重数显仪，所述的电阻分别与左接触电极、右接触电极构成闭合回路，所述的示波器与电阻并联并用以检测电信号数据，所述的称重数显仪与力传感器相连接并用以检测接触载荷数据。
进一步的，所述左接触电极为聚合物接触电极，右接触电极为金属接触电极。
进一步的，所述的左接触电极包括依次叠加的起电材料、铜箔、绝缘板，与电阻连接的导线位于与铜箔连接，左施力块通过往复直线运动点击起电材料。
进一步的，所述右接触电极包括依次叠加的起电材料、绝缘板，与电阻连接的导线位于起电材料与绝缘板之间且与起电材料连接，所述右施力块挤压起电材料。
进一步的，所述左接触电极还包括与绝缘板粘结的泡沫塑料板。
进一步的，所述右接触电极还包括与绝缘板粘结的泡沫塑料板。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明中通过左、右接触电极分别安装在频率调节装置和载荷调节装置的末端，接触产生的电荷在两个接触电极之间通过电阻往复流动。所述的力电信号测量装置可以将接触瞬间的载荷以及电流实时采集并存储。该平台可以同步测量接触过程中的位移和载荷的变化以及探索它们是如何影响接触起电的电压信号。为理论推导提供强有力的支撑。根据接触起电的电压信号同样可以计算出接触过程中电荷量的变化。接触载荷和接触频率分别由转速控制器和角度控制器控制，调节方便。具有良好的可扩展性，在底座上加一个密闭容器还可以控制温度和湿度等影响因素。
附图说明
图1是本发明面接触起电实时测量平台的立体图；
图2是本发明的所述的左接触电极的结构示意图；
图3是本发明的所述的右接触电极的结构示意图；
上述图中的标号名称：1、转速控制器；2、第一步进电机；3、电机支架；4、偏心盘；5、连杆；6滑杆；7、直线轴承；8、底座；9、轴承支架；10、左施力块；11、左接触电极；12、右接触电极；13、右施力块；14、连接板；15、力传感器；16、直角连接板；17、丝杆式直线滑台；18、角铁；19、联轴器；20、第二步进电机；21、电脑；22、角度控制器；23、称重数显仪；24、电阻；25、示波器；11-1、聚合物材料；11-2、铜箔；11-3、POM板；11-4、泡沫板；11-5、双面胶；12-1、金属材料；12-2、POM板；12-3、泡沫板；12-4、双面胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
结合图1所示，本发明提供了一种面接触起电实时测量平台，包括底座8、频率调节装置、接触电极、载荷调节装置、力电信号测量装置，频率调节装置通过转速控制器1来调节电极接触时的接触频率，其执行末端左施力块10与左接触电极11接触。所述的载荷调节装置通过角度控制器22来调节电极接触时的载荷，其末端的右施力块与右接触电极12接触，所述的力电信号测量装置中，其中电信号测量装置并联在两接触电极11、12和电阻24组成的闭合回路，可直接获得通过电阻24的电压信号，间接求得接触起电的电荷量，所述的力信号测量装置连接着载荷调节装置上的力传感器15，可以获得接触电极接触时载荷信号。
上述的频率调节装置，包括转速控制器1、第一步进电机2、电机支架3、偏心盘4、连杆5、滑杆6、直线轴承7、轴承支架9、左施力块10，所述的转速控制器1与第一步进电机2相连接，用来控制第一步进电机2的转速，所述的第一步进电机2通过电机支架3固定在底座8上，第一步进电机2的输出轴连接偏心盘4，偏心盘4起到曲柄的作用。所述的偏心盘4连接连杆5，连杆5与第一步进电机的输出轴垂直。所述的连杆5连接滑杆6，连杆5的摆动带动滑杆6在直线轴承7的限制下直线往复滑动，滑杆6的另一端与左施力块10相连接，左施力块10与左接触电极11接触。左施力块10通过往复直线运动按压左接触电极11的起电材料。按压频率即能够通过转速控制器1控制。
载荷调节装置包括角度控制器22、第二步进电机20、联轴器19、角铁18、丝杆式直线滑台17、直角连接板16、力传感器15、连接板14、右施力块13，所述的角度控制器22与第二步进电机20相连接，用于控制第二步进电机20的转动角度，所述的第二步进电机20固定在丝杆式直线滑台17上，第二步进电机20的输出端通过联轴器19与丝杆式直线滑台17相连接，所述的丝杆式直线滑台17通过角铁18固定在底座8上，丝杆式直线滑台17与直角连接板16相连接，将第二步进电机20的转动角度转换为直线位移，所述的直角连接板16与力传感器15相连接，所述的力传感器15通过连接板14与右施力块13相连接，力传感器15可以实时测量出接触电极接触时的载荷变化。
如图2、3所示，左接触电极11为聚合物接触电极，右接触电极12为金属接触电极，分别与左、右施力块10和13相连接，所述的左接触电极11，即聚合物接触电极是由聚合物起电材料11-1(如可以选用PTFE材料，即聚四氟乙烯材料)、铜箔11-2、POM板11-3、泡沫11-4、双面胶11-5组成的叠层材料，导线在铜箔11-2的下面，由于聚合物材料不导电，所以利用铜箔11-2的静电感应效应来产生移动的电荷，POM板11-3的作用是保证起电材料11-1的平整，泡沫11-4的作用是当接触电极接触时，起到一定的缓冲作用，避免对测量设备造成损坏。右接触电极12作为金属接触电极，金属可以产生移动的电荷，所以不需要铜箔即可，它由金属起电材料12-1(如可以选用铝材料)、POM板12-2、泡沫叠12-3、双面胶12-4叠加而成。
所述的力电信号采集装置包括电阻24、示波器25、称重数显仪23、电脑21，所述的电阻24与两接触电极11和12构成闭合回路，所述的示波器25与电阻24并联，采集接触产生的电荷流经电阻24时的电压信号，并且将电信号数据传输到电脑21，所述的称重数显仪23与力传感器15相连接，并且将接触载荷数据传输到电脑21。
按照实验需求的接触频率计算出电机的转速，调节转速控制器1使步进电机2达到指定的转速，然后停机；将数据传输线连接到电脑21，打开电脑21上的电压信号采集软件和接触载荷的采集软件，根据实验需求设置采集时长和刷新频率，准备采集数据；按照图2和图3的电极结构图制备电极；安装上制作完毕的两接触电极11和12，将电极的输出端连接至电阻24两端，根据实验需求的接触载荷的大小调节角度控制器22，直到称重数显仪23上显示的最大值是需求的载荷；开机运行，根据实验方案的要求采集接触起电的电压信号和接触载荷信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种面接触起电实时测量平台，其特征在于：包括频率调节装置、载荷调节装置、力电信号测量装置、左接触电极、右接触电极；
所述频率调节装置包括转速控制器、第一步进电机、偏心盘、连杆、滑杆、直线轴承、左施力块，所述的转速控制器与第一步进电机相连接，第一步进电机的输出轴与偏心盘固定连接、偏心盘与连杆一端铰接并带动连杆摆动，连杆与第一步进电机的输出轴垂直，连杆另一端与滑杆一端铰接，连杆的摆动带动滑杆在直线轴承的限制下直线往复滑动，滑杆的另一端与左施力块相连接，左施力块与左接触电极接触；
所述载荷调节装置包括角度控制器、第二步进电机、丝杆式直线滑台、直角连接板、力传感器、连接板、右施力块，所述的角度控制器与第二步进电机相连接，第二步进电机的输出轴与丝杆式直线滑台的丝杆相连接并带动丝杆转动，丝杆式直线滑台与直角连接板相连接，所述的直角连接板前端与力传感器相连接，所述的力传感器与右施力块相连接，右施力块与右接触电极接触；
力电信号采集装置包括电阻、示波器、称重数显仪，所述的电阻分别与左接触电极、右接触电极构成闭合回路，所述的示波器与电阻并联并用以检测电信号数据，所述的称重数显仪与力传感器相连接并用以检测接触载荷数据。
2.根据权利要求1所述的面接触起电实时测量平台，其特征在于：所述的左接触电极包括依次叠加的聚合物起电材料、铜箔、绝缘板，与电阻连接的导线位于与铜箔连接，左施力块通过往复直线运动点击起电材料；所述左接触电极还包括与绝缘板粘结的泡沫塑料板。
3.根据权利要求1所述的面接触起电实时测量平台，其特征在于：所述右接触电极包括依次叠加的金属起电材料、绝缘板，与电阻连接的导线位于起电材料与绝缘板之间且与起电材料连接，所述右施力块挤压起电材料；所述右接触电极还包括与绝缘板粘结的泡沫塑料板。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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