CN110297134B - 一种摩擦起电测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦起电测试装置，加载机构包括竖直加载板、水平加载板和连接组件，连接组件包括固定块、连接杆、上弹簧和下弹簧；上试样夹具包括上试样和夹具连接件，夹具连接件通过三维力传感器安装于水平加载板的下部，上试样可拆卸地安装于夹具连接件的底部，并可水平移动；下试样设于上试样的下方并在旋转机构带动下旋转；测电夹持机构包括测电刷头和测电支架。本发明实现了载荷更加稳定的加载，可自由更换上试样夹具类型，适应多种试验条件，且集成了可调节型摩擦电的测量装置，具有测量简便、易于制造、实验精度高、普适性强和模块化可更换等优点。

Description

一种摩擦起电测试装置

技术领域

本发明涉及测试装置领域，特别涉及到一种摩擦起电测试装置。

背景技术

在现实生活中，摩擦起电现象普遍存在。在相互接触的部件之间，由于不断的接触分离或者摩擦，两者界面会发生电荷转移。转移的电荷一方面在选矿、除尘以及摩擦纳米发电机等方面有着广泛的应用和良好的前景，另一方面也会给工业生产以及航天精密仪器的防护带来危害。目前，市场上缺乏可直接测量摩擦电的试验机，因此需要设计一种摩擦起电测试装置来精确测量摩擦过程中产生的电荷量、电流及电压等电学特性，以进行摩擦起电过程中电荷转移的影响因素定量研究，得出电荷转移的调控规律。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种摩擦起电测试装置，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种摩擦起电测试装置，包括测试箱以及设于测试箱内的加载机构、上试样夹具、下试样、旋转机构和测电夹持机构，所述加载机构包括竖直加载板和水平加载板，竖直加载板可上下移动地设于测试箱内，竖直加载板和水平加载板通过连接组件相连，所述连接组件包括固定块、连接杆、上弹簧和下弹簧，固定块固定安装于竖直加载板的前侧，固定块上开设有纵向通孔，连接杆穿设于纵向通孔中并可在纵向通孔中上下移动，上弹簧和下弹簧均套设于连接杆上且分别设于固定块的上下两侧，连接杆的顶部安装有限位块，上弹簧的两端分别与限位块和固定块固定相连；水平加载板固定安装于连接杆的底部，下弹簧的两端分别与固定块和水平加载板固定相连；

所述上试样夹具包括上试样和夹具连接件，夹具连接件通过三维力传感器安装于水平加载板的下部，上试样可拆卸地安装于夹具连接件的底部，并可在夹具连接件的带动下水平移动；

下试样设于上试样的下方，所述旋转机构用于带动下试样水平旋转；

所述测电夹持机构设于旋转机构的一侧，测电夹持机构包括测电刷头以及用于调节测电刷头位置的测电支架，测电刷头包括绝缘壳和若干刷毛组，绝缘壳安装于测电支架上，绝缘壳上开设有若干横向穿孔，刷毛组包括连接导线和若干导电刷丝，每根连接导线穿设于对应的横向穿孔中并通过连接件与绝缘壳相固定，若干导电刷丝设于连接导线的前端且其端部露出横向穿孔，连接导线的后端露出横向穿孔且其露出端上安装有连接端子。

进一步的，所述竖直加载板通过升降机构带动，所述升降机构包括滚珠丝杠、丝母以及用于带动滚珠丝杠转动的步进电机，测试箱内固定有水平安装架，步进电机安装于水平安装架上，滚珠丝杠竖直设置且其一端与步进电机的输出端键连接；测试箱内还固定有竖直安装板，竖直安装板设于滚珠丝杠的后侧，竖直安装板上安装有两个纵向导轨，两个纵向导轨平行设置且分别设于滚珠丝杠的左右两侧；丝母套设于滚珠丝杠上并可在滚珠丝杠的带动下上下移动，丝母通过安装块与竖直加载板固定相连，竖直加载板后部的左右两侧分别安装有滑块，两个滑块分别设于对应的纵向导轨上并可在纵向导轨上上下滑动。

进一步的，所述夹具连接件包括横板、水平丝杠、架块、刻度尺和夹具平台，横板安装于三维力传感器的底部，架块有两个且分别固定于横板底部的左右两端，水平丝杠的两端分别可转动地架设于两个架块上，其中一个架块的的外侧安装有端块，端块上开设有穿孔，水平丝杠的一端穿过架块并伸出穿孔，且在水平丝杠的伸出端上安装有旋转把手，端块的前部开设有定位孔，定位孔与穿孔垂直设置且两者相连通，定位孔的内壁上设有内螺纹，定位孔中插设有与其内螺纹相配合的定位螺栓；水平丝杠上套设有丝杠螺母，夹具平台与丝杠螺母固定相连；所述刻度尺设于横板的前侧，刻度尺的两端分别固定于两个架块上；上试样可拆卸地安装于夹具平台的底部。

进一步的，所述连接组件有两个，两个连接组件分别对称地安装于水平加载板的左右两侧。

进一步的，所述旋转机构包括底板、旋转电机、旋转轴、传动带和旋转盘，底板安装于测试箱内，旋转轴竖直设置且可转动地安装于底板上，旋转盘安装于旋转轴的顶部，旋转电机设于旋转盘的一侧，旋转电机的输出端与旋转轴通过传动带传动相连；下试样为圆盘状结构，下试样固定于旋转盘的顶面上。

进一步的，所述测电支架包括旋转底座、滑动套筒、立杆、第一横杆、第二横杆和T形杆，旋转底座固定于测试箱内，立杆可转动地安装于旋转底座上，滑动套筒可上下移动地套设于立杆上，立杆的一侧沿其长度方向开设有键槽，滑动套筒上开设有若干锁紧孔，锁紧孔中设有锁紧螺栓；第一横杆和第二横杆平行设置，且其各自的一端分别与滑动套筒的上下两端固定相连，第一横杆和第二横杆的另一端均与T形杆相连，T形杆的端部固定有第一调节板，第一调节板上开设有水平设置的条状孔，绝缘壳上固定有第二调节板，第二调节板上开设于若干调节孔，第一调节板和第二调节板通过调节螺栓相连，调节螺栓穿过条状孔并穿设于对应的调节孔中。

进一步的，所述测试箱的一侧设有显示屏和万用表，万用表的两端分别与连接端子以及上试样相连；显示屏分别与万用表和三维力传感器电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明公开了一种摩擦电摩擦磨损试验机，实现了垂直加载、旋转摩擦与摩擦电采集模块的复合；可更换不同上试样形状，实现了试验机的通用性与普适性；同时实现了摩擦电试验的输入控制、常规摩擦与摩擦电测量结果的实时显示功能。本发明利用双向弹簧加载结构，克服了以往通过单侧弹簧等方式在加载时加载力突变的不足，使试验加载过程更加平稳；通过制作通用型上下试样夹具固定装置，使得本试验机可更换多种不同形状、尺寸以及材料的试样进行试验，大大提高了产品的使用范围；通过非标加工的摩擦电测量模块结合万用表进行摩擦微电流的采集，对关键部位做绝缘化处理，简化试验前准备步骤，提高试验的精确性与易操作性；整个装置结构简单，零件易于制作及更换，利于投入生产。

本发明实现了载荷更加稳定的加载，使试验更加精确；可自由更换上试样夹具类型，适应多种试验条件；并且集成了可调节型摩擦电的测量装置，弥补了市场上这一部分的空缺。整个装置模块化设计，可进行模块替换，便于加工，成本较低，具有测量简便、易于制造、实验精度高、普适性强和模块化可更换等优点。

附图说明

图1为本发明所述的摩擦起电测试装置的结构示意图。

图2为本发明所述的摩擦起电测试装置的局部结构示意图。

图3为本发明所述的加载机构的结构示意图。

图4为本发明所述的上试样夹具的局部结构示意图。

图5为本发明所述的测电夹持机构的结构示意图。

图6为本发明所述的测电刷头的局部爆炸图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图6，本发明所述的一种摩擦起电测试装置，包括测试箱10以及设于测试箱10内的加载机构20、上试样夹具30、下试样40、旋转机构50和测电夹持机构60，整个测试装置安装于减振工作台70上。测试箱10用于内部安装散热风扇及提高人机交互性。加载机构20包括竖直加载板21和水平加载板22，竖直加载板21可上下移动地设于测试箱10内。竖直加载板21和水平加载板22通过连接组件23相连。连接组件23包括固定块231、连接杆232、上弹簧233和下弹簧234。固定块231固定安装于竖直加载板21的前侧，固定块231上开设有纵向通孔，连接杆232穿设于纵向通孔中并可在纵向通孔中上下移动。上弹簧233和下弹簧234均套设于连接杆232上且分别设于固定块231的上下两侧。连接杆232的顶部安装有限位块235，限位块235的外径大于纵向通孔的孔径。上弹簧233的两端分别与限位块235和固定块231的顶面固定相连。水平加载板22固定安装于连接杆232的底部，下弹簧234的两端分别与固定块231的底面和水平加载板22固定相连。水平加载板22上还固定有导块236，竖直加载板21上设有与导块236配合使用的导槽，导块236可上下滑动地设于导槽中，从而使水平加载板22的移动更加稳定。

上试样夹具30包括上试样31和夹具连接件32，夹具连接件32通过三维力传感器33安装于水平加载板22的下部。上试样31可拆卸地安装于夹具连接件32的底部，并可在夹具连接件32的带动下水平移动。三维力传感器33主要测摩擦力和加载力，然后通过控制软件实时显示在显示屏82上；把万用表81两端分别连在上下试样40上，测试样过程中的微电流，测试结果也实时显示在显示屏82上。

三维力传感器33固定在在加载机构20与可拆卸式上试样夹具30之间，测量输出x、y、z三向的受力情况，并通过采集与控制程序实现加载机构20的闭环反馈。

上试样夹具30通过横块34与三维力传感器33相连，并传递力的作用，横块34为非标件定制板，横块34固定于横板的顶面上。上试样夹具30通过调节旋转把手327使得夹具平台325沿着水平丝杠322水平移动来适应不同的位置需求，位置信息从刻度尺324上读取。在确定位置后拧动转定位螺栓使定位螺栓向定位孔内部移动使得定位螺栓的端部与水平丝杠322压紧抵靠，从而将水平丝杠322锁死。夹具平台325可以旋进具有外螺纹的夹具连接头，通过将夹具连接头部分设计为适应的内螺纹形状，即可自由更换夹具类型，并在内部添加紫铜垫片以调节上试样31的位置。由于外螺纹的存在，夹具连接头下端不是平整的，在给球试样施压时可能会使压力不均匀，所以添加紫铜垫片来使夹具连接头的压力均匀分布，同时更容易预紧。

下试样40设于上试样31的下方，旋转机构50用于带动下试样40水平旋转，从而进行试验。

上试样31选择球或者销安装，下试样40为盘，安装好后设定参数，加载机构20带动上试样31下压，通过设定的程序使其加载力稳定在预定值附近，稳定后旋转机构50的旋转电机52会带动下试样40进行旋转，开始试验。

测电夹持机构60设于旋转机构50的一侧，测电夹持机构60包括测电刷头61以及用于调节测电刷头61位置的测电支架。测电刷头61包括绝缘壳611和若干刷毛组。绝缘壳611安装于测电支架上，绝缘壳611上开设有若干横向穿孔612。刷毛组包括连接导线613和若干导电刷丝614，每根连接导线613穿设于对应的横向穿孔612中并通过连接件与绝缘壳611相固定。若干导电刷丝614设于连接导线613的前端且其端部露出横向穿孔612，连接导线613的后端露出横向穿孔612且其露出端上安装有连接端子的接头母端。即连接导线613后端连接母胶壳，与数字万用表连接线的公胶壳直接相连，使得方便连接，便于一次试验的更换。

测电刷头61整体用绝缘塑料制作，通过两个调节孔使其整体可以在第一调节板629的条状孔内自由移动以进行微调节，在前端开三个电刷孔位，使得可以自行决定电刷的刷毛数量，使用3个螺丝连接件插入对应槽孔615中分别对对应孔位的刷毛导线进行压紧固定，防止测电过程中的脱落。其中每个电刷孔位可内置导线一根，在测电刷头61前端为裸露的一簇铜线来充当刷丝，挑选合适刚度的导线可以使刷丝在特定位置时与下试样40紧压。每根刷丝在测电刷头61末端合并为一只对插型接头母端，可以方便地与末端为对插型接头公端的万用表接线相连。在试验过程中，下试样40与上试样31产生电荷转移，为平衡电势差，电荷会通过下试样40-刷丝-万用表-上试样夹具30-上试样31这样的外通路进行转移，可以记录转移的实时电流。本发明通过刷丝结构合理地解决了连接旋转下试样40与静止万用表的问题，避免了固定连接所带来的缠绕与测试不便。

竖直加载板21通过升降机构带动，升降机构包括滚珠丝杠241、丝母以及用于带动滚珠丝杠241转动的步进电机242。测试箱10内固定有水平安装架243，步进电机242安装于水平安装架243上，滚珠丝杠241竖直设置且其一端与步进电机242的输出端键连接。测试箱10内还固定有竖直安装板244，竖直安装板244设于滚珠丝杠241的后侧。竖直安装板244上安装有两个纵向导轨245，两个纵向导轨245平行设置且分别设于滚珠丝杠241的左右两侧。丝母套设于滚珠丝杠241上并可在滚珠丝杠241的带动下上下移动，丝母通过安装块与竖直加载板21固定相连。竖直加载板21后部的左右两侧分别安装有滑块，两个滑块分别设于对应的纵向导轨245上并可在纵向导轨上上下滑动。测试箱10内通过竖直设置的隔板分隔成工作腔和控制腔，控制器80和旋转电机52设于控制腔中，加载机构、上下试样等均设于工作腔内。

夹具连接件32包括横板321、水平丝杠322、架块323、刻度尺324和夹具平台325。横板321安装于三维力传感器33的底部，架块323有两个且分别固定于横板321底部的左右两端。水平丝杠322的两端分别可转动地架设于两个架块323上，其中一个架块323的的外侧安装有端块326。端块326上开设有穿孔，水平丝杠322的一端穿过架块323并伸出穿孔，且在水平丝杠322的伸出端上安装有旋转把手327。端块326的前部开设有定位孔328，定位孔328与穿孔垂直设置且两者相连通。定位孔328的内壁上设有内螺纹，定位孔328中插设有与其内螺纹相配合的定位螺栓。水平丝杠322上套设有丝杠螺母，夹具平台325与丝杠螺母固定相连。刻度尺324设于横板321的前侧，刻度尺324的两端分别固定于两个架块323上。上试样31可拆卸地安装于夹具平台325的底部。

步进电机242通过滚珠丝杠241驱动竖直加载板21沿着两根纵向导轨245竖直向下运动，带动水平加载板22上的固定块231向下运动。通过上弹簧233与下弹簧234的共同调节使得水平加载板22下压，通过三维力传感器33将力传递给下面的球夹具。在加载开始前，整个下压组件包括三维力传感器33、球夹具等的重量均由上弹簧233压缩形变产生的弹力平衡，加载开始固定块231下移，上弹簧233伸长，多余的重力就会通过球施加给盘，即产生了加载力；当所需加载力超过下压部分的重力时，固定块231会继续下移使下弹簧234压缩从而提供额外的加载力。上弹簧233的设置使地固定块231的上端与限位块235的接触为柔性接触，在发生微小的相对位移时，两者之间的支持力会缓慢变化，从而可以通过软件控制加载PID实现调控，实现小载荷的10N以下的稳定加载。

连接组件23有两个，两个连接组件23分别对称地安装于水平加载板22的左右两侧。

旋转机构50包括底板51、旋转电机52、旋转轴、传动带53和旋转盘54。底板51安装于测试箱10内，旋转轴竖直设置且可转动地安装于底板51上。旋转盘54安装于旋转轴的顶部，旋转电机52设于旋转盘54的一侧。旋转电机52的输出端与旋转轴通过传动带53传动相连。下试样40为圆盘状结构，下试样40固定于旋转盘54的顶面上。

测电支架包括旋转底座621、滑动套筒622、立杆623、第一横杆624、第二横杆625和T形杆626。旋转底座621固定于测试箱10内，立杆623可转动地安装于旋转底座621上。测电夹持机构60通过旋转底座621与试验机主体相连，整个测电夹持机构60在水平面实现角度旋转变化可以通过旋转底座621上加工的旋转式沉头槽进行调节，也可以采用传统的可旋转的底座结构进行调节。滑动套筒622可上下移动地套设于立杆623上，从而实现竖直方向的高度调节。立杆623的一侧沿其长度方向开设有键槽627，滑动套筒622上开设有若干锁紧孔，锁紧孔中设有锁紧螺栓，锁紧螺栓穿设于锁紧孔中且其端部与键槽627压紧抵靠，从而将滑动套筒622和立杆623相对固定。第一横杆624和第二横杆625平行设置，且其各自的一端分别与滑动套筒622的上下两端固定相连。通过锁紧螺栓将滑动套筒622的竖直位置固定，第一横杆624和第二横杆625可以为可伸缩的两节转动臂结构。第一横杆624和第二横杆625的另一端均与T形杆626通过转向套筒628相连相连，通过紧固螺丝将转向套筒与T形杆626固定相对位置。通过T形杆626可实现两个横杆角度的调节，从而调节测电刷头61到盘试样的边缘的距离以及接触角度。T形杆626的端部固定有第一调节板629。第一调节板629上开设有水平设置的条状孔，绝缘壳611上固定有第二调节板616，第二调节板616上开设于若干调节孔。第一调节板629和第二调节板616通过调节螺栓相连，调节螺栓穿过条状孔并穿设于对应的调节孔中，可通过调节螺栓将测电刷头61与T形杆626相连。第一调节板629和第二调节板616的相对位置改变可实现测电刷丝小距离的伸缩，从而实现测电刷丝位置的微调。

测电支架可调节测电刷头61的三维位置，并实现刷毛与下试样40圆盘的预紧，从而可将下试样40产生的电荷导出。电荷导出主要通过刷毛后方的导线与数字万用表的侧电线相连，从而测量微电流。

测试箱10的一侧设有显示屏82和万用表81。可采用DMM6500型数字万用表，试验中使用其测电流功能。万用表81的两端分别与连接端子以及上试样31相连。上试样在试验过程中固定，其与上面的水平丝杠导通，故可通过夹持水平丝杠来实现上试样与万用表的连接；通过测电装置的刷丝将下试样与测电刷头的后端的母胶壳连接，然后再与数字万用表连接线的公胶壳直接相连，实现下试样与万用表的连接。显示屏82分别与万用表81和三维力传感器33电连接。显示屏82用于三维力传感器33与万用表81输出信号的采集与实时显示。万用表81用于摩擦微电流信号的实时采集与输出采集信号。测试箱10上安装的观察门11用于在试验过程中减弱外界因素的影响以及便于试验者观察试验情况及时作出调整。减振工作台70用于承载所有其他部件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种摩擦起电测试装置，其特征在于：包括测试箱以及设于测试箱内的加载机构、上试样夹具、下试样、旋转机构和测电夹持机构，所述加载机构包括竖直加载板和水平加载板，竖直加载板可上下移动地设于测试箱内，竖直加载板和水平加载板通过连接组件相连，所述连接组件包括固定块、连接杆、上弹簧和下弹簧，固定块固定安装于竖直加载板的前侧，固定块上开设有纵向通孔，连接杆穿设于纵向通孔中并可在纵向通孔中上下移动，上弹簧和下弹簧均套设于连接杆上且分别设于固定块的上下两侧，连接杆的顶部安装有限位块，上弹簧的两端分别与限位块和固定块固定相连；水平加载板固定安装于连接杆的底部，下弹簧的两端分别与固定块和水平加载板固定相连；

所述上试样夹具包括上试样和夹具连接件，夹具连接件通过三维力传感器安装于水平加载板的下部，上试样可拆卸地安装于夹具连接件的底部，并可在夹具连接件的带动下水平移动；

下试样设于上试样的下方，所述旋转机构用于带动下试样水平旋转；

所述测电夹持机构设于旋转机构的一侧，测电夹持机构包括测电刷头以及用于调节测电刷头位置的测电支架，测电刷头包括绝缘壳和若干刷毛组，绝缘壳安装于测电支架上，绝缘壳上开设有若干横向穿孔，刷毛组包括连接导线和若干导电刷丝，每根连接导线穿设于对应的横向穿孔中并通过连接件与绝缘壳相固定，若干导电刷丝设于连接导线的前端且其端部露出横向穿孔，连接导线的后端露出横向穿孔且其露出端上安装有连接端子；

所述夹具连接件包括横板、水平丝杠、架块、刻度尺和夹具平台，横板安装于三维力传感器的底部，架块有两个且分别固定于横板底部的左右两端，水平丝杠的两端分别可转动地架设于两个架块上，其中一个架块的的外侧安装有端块，端块上开设有穿孔，水平丝杠的一端穿过架块并伸出穿孔，且在水平丝杠的伸出端上安装有旋转把手，端块的前部开设有定位孔，定位孔与穿孔垂直设置且两者相连通，定位孔的内壁上设有内螺纹，定位孔中插设有与其内螺纹相配合的定位螺栓；水平丝杠上套设有丝杠螺母，夹具平台与丝杠螺母固定相连；所述刻度尺设于横板的前侧，刻度尺的两端分别固定于两个架块上；上试样可拆卸地安装于夹具平台的底部；

所述连接组件有两个，两个连接组件分别对称地安装于水平加载板的左右两侧。

2.根据权利要求1所述的摩擦起电测试装置，其特征在于：所述竖直加载板通过升降机构带动，所述升降机构包括滚珠丝杠、丝母以及用于带动滚珠丝杠转动的步进电机，测试箱内固定有水平安装架，步进电机安装于水平安装架上，滚珠丝杠竖直设置且其一端与步进电机的输出端键连接；测试箱内还固定有竖直安装板，竖直安装板设于滚珠丝杠的后侧，竖直安装板上安装有两个纵向导轨，两个纵向导轨平行设置且分别设于滚珠丝杠的左右两侧；丝母套设于滚珠丝杠上并可在滚珠丝杠的带动下上下移动，丝母通过安装块与竖直加载板固定相连，竖直加载板后部的左右两侧分别安装有滑块，两个滑块分别设于对应的纵向导轨上并可在纵向导轨上上下滑动。

3.根据权利要求1所述的摩擦起电测试装置，其特征在于：所述旋转机构包括底板、旋转电机、旋转轴、传动带和旋转盘，底板安装于测试箱内，旋转轴竖直设置且可转动地安装于底板上，旋转盘安装于旋转轴的顶部，旋转电机设于旋转盘的一侧，旋转电机的输出端与旋转轴通过传动带传动相连；下试样为圆盘状结构，下试样固定于旋转盘的顶面上。

4.根据权利要求1所述的摩擦起电测试装置，其特征在于：所述测电支架包括旋转底座、滑动套筒、立杆、第一横杆、第二横杆和T形杆，旋转底座固定于测试箱内，立杆可转动地安装于旋转底座上，滑动套筒可上下移动地套设于立杆上，立杆的一侧沿其长度方向开设有键槽，滑动套筒上开设有若干锁紧孔，锁紧孔中设有锁紧螺栓；第一横杆和第二横杆平行设置，且其各自的一端分别与滑动套筒的上下两端固定相连，第一横杆和第二横杆的另一端均与T形杆相连，T形杆的端部固定有第一调节板，第一调节板上开设有水平设置的条状孔，绝缘壳上固定有第二调节板，第二调节板上开设于若干调节孔，第一调节板和第二调节板通过调节螺栓相连，调节螺栓穿过条状孔并穿设于对应的调节孔中。

5.根据权利要求1所述的摩擦起电测试装置，其特征在于：所述测试箱的一侧设有显示屏和万用表，万用表的两端分别与连接端子以及上试样相连；显示屏分别与万用表和三维力传感器电连接。

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