CN111198306A - 固-液摩擦起电电荷测量装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种固‑液摩擦起电电荷测量装置，包括运动控制模块、法拉第筒、电荷测量模块和液体容器，法拉第筒包括内筒和外筒；液体容器，用于盛放待测液体；运动控制模块，用于控制待测固体进入待测液体中进行摩擦运动，并将待测固体从待测液体中拉出并移入法拉第筒中，以及将待测固体从法拉第筒中移出；电荷测量模块，用于测量法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值，并根据差值计算出待测固体与待测液体摩擦起电后所转移的电荷量。本公开所提供的固‑液摩擦起电电荷测量装置，能够准确、有效地进行固体和液体摩擦起电后所转移的电荷量的测量。

Description

固-液摩擦起电电荷测量装置

技术领域

本公开涉及电荷测量领域，尤其涉及一种固-液摩擦起电电荷测量装置。

背景技术

摩擦起电是一种常见的物理现象，有着久远的研究历史，该物理现象广泛存在于固-固、固-液、固-气等两相摩擦过程中。其中，固-液摩擦起电已经被广泛应用在各个领域中，例如，在能源领域，微流控领域，生化领域等都有相应的应用研究，但这些研究主要还是集中在应用的层面，对于各领域中固-液摩擦起电的一些机理性的解释却较为缺乏，导致这一现象的主要原因是因为缺乏可精确测量固-液界面电荷转移量的方法和设备。

相关技术中已有的方法和设备，包括了静电电极感应法、开尔文探针力显微镜(KPFM)和法拉第杯测量方法，但存在测量结果误差不可控、准确性低等问题。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种固-液摩擦起电电荷测量装置，能够准确地测量固液摩擦后所转移的电荷量。

根据本公开的一方面，提供了一种固-液摩擦起电电荷测量装置，其特征在于，用于测量待测固体与待测液体摩擦起电后所转移的电荷量，包括：运动控制模块、法拉第筒、电荷测量模块和液体容器，所述法拉第筒包括内筒和外筒，

所述液体容器，位于所述法拉第筒的下方，用于盛放所述待测液体；

所述运动控制模块，用于在确定开始电荷量检测时，控制所述待测固体进入所述待测液体中进行摩擦运动，并在所述摩擦运动完成后将所述待测固体从所述待测液体中拉出并移入所述法拉第筒中，以及在满足移出条件时将所述待测固体从所述法拉第筒中移出；

所述电荷测量模块，用于测量所述待测固体移入和/或移出所述法拉第筒的过程中所述法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值，根据所述差值计算出所述待测固体与所述待测液体摩擦起电后所转移的电荷量，

其中，所述电势差的差值包括：所述待测固体移入所述法拉第筒之前所述法拉第筒的电势差初始值与所述待测固体处于所述法拉第筒中所述法拉第筒的电势差峰值之间的差值。

在一种可能的实现方式中，所述运动控制模块包括：驱动子模块、运动传递机构，

所述驱动子模块与所述运动传递机构连接，用于驱动所述运动传递机构；

所述运动传递机构上设置有夹持组件，所述夹持组件用于夹持所述待测固体，所述运动传递机构在所述驱动子模块的驱动下进行运动，以带动所述夹持组件和所述待测固体的运动，

其中，所述夹持组件的材料包括绝缘材料。

在一种可能的实现方式中，所述法拉第筒的内筒、外筒均为通孔结构，所述法拉第筒的材料包括金属材料。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

温度检测模块，用于对所述待测液体中的预设区域进行温度检测，得到区域温度，所述预设区域包括所述待测液体中与所述待测固体进行摩擦的待测液体所在的区域；

温度控制模块，用于根据预设的目标温度和所述区域温度对所述待测液体的温度进行调节，以使所述预设区域中待测液体的温度与所述目标温度之间的差值小于或等于温差阈值。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

电磁屏蔽模块，用于屏蔽外界电磁场对所述装置的干扰。

在一种可能的实现方式中，所述电磁屏蔽模块包括整体屏蔽部件，所述整体屏蔽部件用于屏蔽外界电磁场对所述装置本体的干扰，所述整体屏蔽部件的材料包括金属材料。

在一种可能的实现方式中，所述电磁屏蔽模块包括导线屏蔽部件，所述导线屏蔽部件用于屏蔽外界电磁场通过与所述装置连接的外部导线对所述装置的干扰。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

漏电率确定模块，用于获取所述法拉第筒的内外筒参数，根据所述内外筒参数、待测固体参数和确定的对应关系得到所述法拉第筒的漏电率，

其中，所述电荷测量模块，还用于根据所述漏电率对确定出的电荷量进行修正，

所述对应关系用于指示所述内外筒参数、待测固体参数和漏电率之间的对应关系，所述法拉第筒的内外筒参数包括所述法拉第筒的内筒的直径、所述法拉第筒的高径比、所述法拉第筒的内筒和外筒之间的间距、所述法拉第筒材料；所述待测固体参数包括待测固体的尺寸和/或待测固体的材料信息。

在一种可能的实现方式中，所述漏电率确定模块，还用于根据所述内外筒参数、待测固体参数确定所述法拉第筒两端的两端电通量和所述法拉第筒的总电通量，根据所述两端电通量和所述总电通量的比值确定所述法拉第筒的漏电率，确定所述漏电率和所述内外筒参数及待测固体参数的对应关系。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

固定部件，用于将内筒和外筒可拆卸地固定连接在一起。

本公开所提供的固-液摩擦起电电荷测量装置，能够精确控制待测固体在待测液体中进行摩擦运动，并在摩擦运动完成后能够迅速将待测固体从待测液体中拉出并移入法拉第筒中，根据测量到的法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值能够准确地计算出待测固体与待测液体摩擦起电后所转移的电荷量，避免了环境因素对待测固体与待测液体摩擦起电后电荷转移的影响，降低了测量误差的不确定度，提高了固液摩擦起电电荷测量的准确度，为研究摩擦规律、解释摩擦起电机理以及拓展摩擦起电的应用提供了重要支撑作用。装置的制作简单、成本低廉、方便实现、适用范围广，也可用于科普教育，演示固-液摩擦起电实验，激发学生对科学探究的兴趣，还可用于其他类型带电体的电荷测量，为其他的电荷测量方法提供了对比参考数据。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的固-液摩擦起电电荷测量装置的结构示意图。

图2示出根据本公开一实施例的固-液摩擦起电电荷测量装置中固定部件的结构示意图。

图3示出根据本公开一实施例的漏电率与内外筒参数的对应关系图。

图4示出根据本公开一实施例固-液摩擦起电电荷测量装置测量的电势差的差值的曲线图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

相关技术中，对固-液摩擦起电所转移电荷量的检测存在不同程度的问题。其中，

静电电极感应法是利用静电感应效应，利用双电极构成电路回路，测量电路电流后积分得到摩擦起电所转移的电荷量，该方法的测量受到电极材料、电路电阻等因素的影响，测量误差不确定且较难控制。

开尔文方法，利用探针测量接触电势差来获得固体表面电势，用该法只能测量微区(<50μm×50μm)固体表面电势，由于有些固体表面和液体摩擦之后，表面会残留液体或形成液膜，极易污染探针，对测量造成影响，而且采用KPFM测量电势时，无法实现固液相对运动，只能测量摩擦之后的表面电势，这种非原位测量会继续增加测量结果的误差。

法拉第杯测量方法是利用静电感应效应来测量内外杯壁之间的电势差，再利用电容公式计算摩擦起电的电荷量。现有的技术中利用传统的法拉第杯测量与移液管摩擦带电的液滴的电量只能是测量液滴的带电量，又或者是设计的摩擦方式是晃动容器。其中，前者无法测量固体表面带电量、或是大量液体进行长时间的测量；后者利用法拉第杯测量时需要用手拿出颗粒放入漏斗中，从而无法控制摩擦速度等参数，且人为操作使得在测量过程中引入太多其他过程，对测量结果产生影响，使得测量结果不准确。

图1示出根据本公开一实施例的固-液摩擦起电电荷测量装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：法拉第筒200，液体容器6，运动控制模块100和电荷测量模块300。

法拉第筒200，包括内筒5和外筒4，法拉第筒200的内筒5和外筒4分别通过导线与电荷测量模块200相连，电荷测量模块可以测量到法拉第筒的内筒5和外筒4之间的电势差。

液体容器6，位于法拉第筒200的下方，用于盛放待测液体10，使得待测固体3在待测液体10进行摩擦运动后能够快速地被移入法拉第筒200中，也即移入法拉第筒200的内筒5中。

运动控制模块100，用于在确定开始电荷量检测时，控制待测固体3进入待测液体10中进行摩擦运动，并在摩擦运动完成后将待测固体3从待测液体10中拉出并移入法拉第筒(也即移入法拉第筒200的内筒5中)中，以及在满足移出条件时将待测固体3从法拉第筒200中移出。

电荷测量模块300，用于测量在待测固体3移入和/或移出法拉第筒200的过程中法拉第筒200的内筒5和外筒4之间的电势差的差值，根据所述差值计算出所述待测固体3与所述待测液体10摩擦起电后所转移的电荷量。其中，电势差的差值可以包括待测固体移入法拉第筒之前法拉第筒的电势差初始值与待测固体处于法拉第筒中法拉第筒的电势差峰值之间的差值。在运动控制模块控制待测固体运动的过程中，电荷测量模块对法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的测量、记录和计算。

其中，如图1所示，电荷测量模块300可以包括测量部件8和计算子模块9。测量部件8用于监测法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值。测量部件可以是静电计、数字万用表等灵敏度高、准确性好的仪器，本公开对此不作限制。计算子模块9用于根据电势差的差值计算电荷量，可以是计算机等终端，也可以是根据使用需求设置的硬件装置，本公开对此不作限制。

为保证测量的准确性，可以对测量部件进行设置，以测量部件为静电计为例，可以选取电压测量时自身阻抗(输入阻抗)超过200TΩ的静电计，使得该静电计具有高精度，高分辨率的特点。静电计的电压测量范围可以为10μV-200V，电流测量范围可以为1fA-20mA，偏置电流可以小于3fA，静电计自身噪声可以小于1fA，电荷测量范围可以10fC-2MC。且所选取的静电计可以通过编程进行控制，实现电势、电流和电荷量的测量。

在本实施例中，电荷测量模块确定待测固体3移入和/或移出法拉第筒200的过程中法拉第筒200的内筒5和外筒4之间的电势差的差值V之后，可以根据如下公式(1)计算电荷量Q。

Q＝V*C (1)

其中，C为法拉第筒的电容值。

在本实施例中，电荷测量模块还可以进一步根据电荷量Q计算待测固体的表面的电荷密度δ。其中，在假定待测固体表面的电荷分布均匀时，可以利用如下公式(2)计算电荷密度δ。

δ＝Q/A (2)

其中，A为待测固体的表面与待测液体进行摩擦接触部分的面积。

在本实施例中，可以根据需要选择待测固体和待测液体的具体材料，以满足不同的测量需求，本公开对此不作限制。例如，待测固体可以是硅片、待测液体可以是水。

本公开实施例所提供的固-液摩擦起电电荷测量装置，通过该固-液摩擦起电电荷测量装置能够精确控制待测固体在待测液体中进行摩擦运动，并在摩擦运动完成后能够迅速将待测固体从待测液体中拉出并移入法拉第筒中，根据测量到的法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值能够准确地计算出待测固体与待测液体摩擦起电后所转移的电荷量，避免了环境因素对待测固体与待测液体摩擦起电后电荷转移的影响，降低了测量误差的不确定度，提高了固液摩擦起电电荷测量的准确度，为研究摩擦规律、解释摩擦起电机理以及拓展摩擦起电的应用提供了重要支撑作用。装置的结构简单、制作和操作简单、成本低廉、方便实现、适用范围广，也可用于科普教育，演示固-液摩擦起电实验，激发学生对科学探究的兴趣，还可用于其他类型带电体的电荷测量，为其他的电荷测量方法提供了对比参考数据。

在本实施例中，待测固体的初始位置可以是如图1所示位于法拉第筒上方，这样，可以简化运动控制模块的结构，保证待测固体能从待测液体中被迅速地移动到法拉第筒中。待测固体的初始位置也可以是法拉第筒和液体容器之间，这样，待测固体在摩擦之后能够迅速被移入法拉第筒中，可以提高测量的准确度。本领域技术人员可以根据实际需要对待测固体与液体容器和法拉第筒的相对位置做设置，只要能够保证待测固体能从待测液体中被迅速地移动到法拉第筒中即可，本公开对此不作限制。

在本实施例中，待测固体的形状可以是圆柱状、球状、棱柱状等，待测固体的尺寸与法拉第筒的尺寸相匹配。法拉第筒的内筒5和外筒4的直径和高度需大于待测固体的尺寸，以保证待测固体可以完全放置于法拉第筒中并保证待测固体正常的移入移出。法拉第筒的内筒5和外筒4的形状相同，内筒5和外筒4之间存在间隙，二者高度可以相同。例如，以待测固体为圆柱状为例，待测固体的直径小于法拉第筒的内筒5的直径，便于待测固体从法拉第筒中移入或移出；待测固体的高度小于法拉第筒的高度，使得摩擦后的待测固体的电荷能完全在法拉第筒中，不会影响测量结果的准确度。应该理解的是，本公开对法拉第筒的内筒5和外筒4的直径和高度不作具体的限定，只要能保证测量需求即可。

在本实施例中，可以预先对运动控制模块控制待测固体所进行的运动进行相关设置，可以包括设置确定开始电荷量检测的确定方式、待测固体在待测液体中进行摩擦运动的运动方式和速度、摩擦运动是否完成的判断依据、移出条件等与待测固体所进行的运动相关的控制。

其中，运动控制模块确定开始电荷量检测的方式是多种多样的，例如，运动控制模块在检测到待测固体已经被安装好后，确定可以开始电荷量检测。或者，可以在装置中设置开始按钮或控件，运动控制模块在检测到待测固体已经被安装好且按钮或控件被触发时，确定可以开始电荷量检测。或者运动控制模块在检测到按钮或控件被触发时，确定可以开始电荷量检测。在检测到针对按钮或控件的长按、点击等触发操作时，可以确定其被触发。其中，按钮可以是设置在装置中通过硬件来实现的，控件可以是通过装置中的软件显示在相应的显示界面中，供用户操作。

待测固体在待测液体中进行的摩擦运动的运动方式同样是多种多样的。例如，摩擦运动的运动方式可以是按照一定方向进行直线往复运动，或者是按照指定的运动轨迹进行往复运动，运动轨迹可以是螺旋形等，对此不作具体限制。摩擦运动的运动方式还可以是按照指定的半径以指定轴(如待测固体的轴或是液体容器的垂直轴等)为旋转轴进行的圆周运动。应当理解的是，上述各种运动方式以及与运动方式相关的运动参数(例如，运动方向、运动位移、运动速率、运动加速度等)。这样，能够保证待测固体和待测液体之间可以完成摩擦起电待测固体能够带电，本领域技术人员可以根据实际需要对摩擦运动进行设置，本公开对此不作限制。

待测固体在待测液体中进行的摩擦运动是否完成的判断依据可以包括摩擦运动的时间、往复运动的运动范围(如直线运动的最大运动位移、螺旋形运动的最大螺旋直径等)、次数、摩擦运动总距离等与摩擦运动相关的信息。例如，可以设置在确定摩擦运动的时间大于或等于5分钟、或摩擦运动为直线往复运动的最大运动位移为10mm时其往复的次数大于或等于20次或摩擦运动总距离大于或等于2米时，运动控制模块可以确定摩擦运动完成，停止控制待测固体在待测液体中的摩擦运动并将待测固体从待测液体中拉出并移入法拉第筒中。本领域技术人员可以根据实际需要对待测固体在待测液体中进行的摩擦运动是否完成的判断依据做设置，本公开对此不作限制。

移出条件可以包括：待测固体在法拉第筒中停留时间大于或等于完成静电感应的预测时间、待测固体在法拉第筒中停留时间大于或等于电荷测量模块测量的电势差曲线的峰值预测出现时间等。这样，可以保证带电的待测固体和法拉第筒之间可以有充足的时间完成静电感应，保证计算出的转移的电荷量的准确性，同时也可以保证电荷测量模块能完成对法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值的测量。本领域技术人员可以根据实际需要对移出条件进行设置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，如图1所示，运动控制模块100可以包括驱动子模块1、运动传递机构11，其中，驱动子模块1与运动传递机构11连接，驱动子模块1用于驱动运动传递机构11。运动传递机构11上设置有夹持组件2，夹持组件2用于夹持待测固体3，运动传递机构11在驱动子模块1的驱动下进行运动，以带动夹持组件2和待测固体3的运动。

其中，驱动子模块可以利用步进电机、伺服电机等实现对运动传递机构的驱动，为运动传动机构的提供运动的动力，以使得运动传递机构带动待测固件移入/移出待测液体、进行摩擦运动、移入/移出法拉第筒。应当理解的是，本领域技术人员可以按照需求对驱动子模块进行设置，本公开对驱动子模块的具体实现形式不作限制。

其中，在驱动子模块为步进电机或伺服电机等电机时，可以对电机的转速、转矩等与电机运行相关的参数进行设置，以使得运动传递机构在驱动子模块的驱动下带动夹持组件和待测固体运动，根据驱动子模块的参数可以改变运动的速度、角速度、方向等。

夹持组件可以稳固地夹取待测固体，夹持组件所能夹持物体的尺寸与待测固体的尺寸相匹配，以保证待测固体能被夹持组件稳固地夹取。本领域技术人员可以根据实际需要对夹持组件的尺寸进行设置，本公开在此不作限制。夹持组件的材料可以包括绝缘材料，避免了待测固体与待测液体摩擦所携带的摩擦电荷传导至夹持组件，保证了摩擦电荷量的测量精度。

在一种可能的实现方式中，如图1所示，法拉第筒200的内筒5和外筒4均为通孔结构。这样，在待测固体与待测液体完成摩擦后，能够快速将待测固体移入到法拉第筒中，避免了移入法拉第筒过程中引入其他过程(如待测固体与空气摩擦等)的不利影响，降低了电荷逸散，提高了摩擦电荷测量的精确度，从而实现了摩擦电荷的近原位测量。

在该实现方式中，法拉第筒的材料可以包括金属材料，例如铁、铝等金属，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，所述装置还可以包括固定部件，用于将内筒5和外筒4可拆卸地固定连接在一起，用于固定法拉第筒的内筒5和外筒4的相对位置，还可以用于固定法拉第筒。防止法拉第筒的机械移动以及内筒5和外筒4发生相对移动影响法拉第筒电势差的测量结果。

在该实现方式中，固定部件可以通过螺纹连接、键连接、销连接等可拆卸连接方式将内筒5和外筒4可拆卸地固定连接在一起，本公开对此不作限制。

在该实现方式中，固定部件的材料可以包括聚四氟乙烯等绝缘材料，避免了待测固体与待测液体摩擦所携带的电荷转移至固定部件、或者通过固定部件转移至法拉第筒，保证了电荷量的测量精度。

图2示出根据本公开一实施例的固-液摩擦起电电荷测量装置中固定部件的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图2所示，固定部件可以包括螺栓13和螺母12。法拉第筒的外筒4和内筒5的筒壁上设置有通孔，螺母12固定安装于外筒4的筒壁上的通孔中，螺栓13通过内筒5的通孔旋入外筒4上的螺母12内，使内筒5和外筒4可拆卸地固定连接在一起。

或者，法拉第筒的外筒4和内筒5的筒壁上设置有通孔，螺母12固定安装于内筒5的筒壁上的通孔中，螺栓13通过外筒4的通孔旋入内筒5上的螺母12内，使内筒5和外筒4可拆卸地固定连接在一起。

在该实现方式中，还可以将上述螺栓替换为螺钉等可以旋入螺母的部件，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，如图1所示，该装置还可以包括温度检测模块(图中未示出)和温度控制模块7，其中，温度检测模块和温度控制模块之间可以相互独立，也可以集成为一体。

其中，温度检测模块用于对待测液体中的预设区域进行温度检测，得到区域温度。预设区域可以包括待测液体中与待测固体进行摩擦的待测液体所在的区域。温度控制模块7用于根据预设的目标温度和区域温度对待测液体的温度进行调节，以使预设区域中待测液体的温度与目标温度之间的差值小于或等于温差阈值。

在该实现方式中，温度检测模块可以为温度计等可以用于检测和/或记录待测液体中的预设区域温度的仪器。其中，预设区域可以是待测固体与待测液体进行摩擦的待测液体的摩擦界面所在的区域。应当理解的是，本领域技术人员可以对预设区域进行设置，本公开对此不作限制。

在该实现方式中，温度控制模块可以通过水浴、油浴、沙浴、铅浴等热域方式对待测液体进行升温或降温的温度调节。可以根据目标温度对热域方式的热域物质进行设置，例如，假定目标温度可以设置为-20℃～100℃的任意一个温度值，则热域物质可以为水。还可以根据测量精度需求、热域方式对温度阈值进行设置，本公开对此不作限制。

举例来说，假如设定温差阈值为0.01℃、水浴进行温度调节。当预设的目标温度为50℃且温度检测模块检测到的区域温度为25℃时，温度检测模块将对液体容器中的待测液体进行加热升温，使得区域温度与目标温度之间的差值小于0.01℃。当且温度检测模块检测到的区域温度为75℃时，温度检测模块将对液体容器中的待测液体进行降温(如在水中加入冰块等)，使得区域温度与目标温度之间的差值小于0.01℃。

在本实施例中，用于测量待测液体所在区域的温度可以由设置在待测液体所在区域的多个温度计进行测量，根据多个热电偶温度计所测量的温度值取平均得到区域温度。例如，可以在待测液体所在区域范围内布置三个温度计，三个温度计所测量到的温度的平均值即为区域温度。这样，减少了测量误差，保证了待测液体所在区域温度的测量精度。

在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括湿度检测和控制模块，可以通过湿度计等用于检测和/或记录该装置所处环境湿度的仪器实现，用于对装置所处环境的湿度进行测量。同时，采用干燥空气和水汽比例配比控制实验环境湿度。这样，可以分析待测固体和待测液体摩擦起电后的电荷量受该装置所处的环境湿度的影响的变化情况。

在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括环境温度检测模块，用于对装置所处环境的温度进行测量。环境温度检测模块和湿度检测模块可以通过温湿度计等用于检测和/或记录该装置所处环境温度和环境湿度的仪器实现。这样，可以分析待测固体和待测液体摩擦起电后的电荷量受该装置所处的环境温度和环境湿度的共同影响的变化情况。

在一种可能的实现方式中，运动控制模块，还用于在将满足移出条件时将所述待测固体从所述法拉第筒中移出之后，还可以在确定满足多次移入条件时，将待测固体再次移入法拉第筒中。而后在确定满足移出条件时继续将所述待测固体从所述法拉第筒中移出。直至将待测固体移入法拉第筒后内筒和外筒之间的电势差的差值不再变化(例如，差值为零，或者差值稳定为一个固定值)，确定待测固体所携带的电荷已经全部衰减，停止对待测固体的移入移出。

其中，电荷测量模块，还用于根据待测固体移入和/或移出所述法拉第筒的过程中所述法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值、待测固体的内外筒参数、待测液体的材料、待测固体的材料、摩擦运动的运动方式、环境温度和环境湿度等与摩擦起电相关的内容，分析确定摩擦起电后待测固体所携带电荷的衰减特性。其中，可以利用图、表等对衰减特性进行分析。

在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括电磁屏蔽模块，用于屏蔽外界电磁场，避免对测量结果产生干扰。

在一种可能的实现方式中，电磁屏蔽模块可以包括整体屏蔽部件，用于屏蔽外界电磁场对所述装置本体的干扰。

在该实现方式中，整体屏蔽部件可以为屏蔽箱、屏蔽罩等屏蔽性能好、简易方便的仪器，在此不作具体限制。例如，可以将装置中除电荷测量模块之外的部件放入屏蔽箱和/或屏蔽罩中进行屏蔽，也可以将装置的所有部件放入屏蔽箱和/或屏蔽罩屏蔽，对此不作具体限制。整体屏蔽部件的材料可以为金属材料，例如，铁、铝等金属，在此不作具体限制。

在一种可能的实现方式中，电磁屏蔽模块还可以包括导线屏蔽部件，用于屏蔽外界电磁场通过与装置连接的外部导线对装置的干扰。

在该实现方式中，装置连接的外部导线可以包括装置中并未设置于整体屏蔽部件中的部件与整体屏蔽部件中部件连接的导线，装置与其他装置如计算机等连接的导线等。导线屏蔽部件可以是设置于外部导线中的导线屏蔽层，能够避免外部导线对电荷量测量的影响。

在一种可能的实现方式中，该装置还包括漏电率确定模块，用于获取法拉第筒的内外筒参数，根据内外筒参数、待测固体参数和确定的对应关系得到所述法拉第筒的漏电率。其中，所述电荷测量模块，还用于根据所述漏电率对确定出的电荷量进行修正。

其中，对应关系用于指示内外筒参数、待测固体参数和漏电率之间的对应关系，法拉第筒的内外筒参数包括法拉第筒的内筒的直径、法拉第筒的高径比、法拉第筒的内筒和外筒之间的间距、法拉第筒材料；所述待测固体参数包括待测固体的尺寸和/或待测固体的材料信息。

在该实现方式中，所述法拉第筒的高径比可以为法拉第筒的内筒高度和内筒直径之间的比值。

在该实现方式中，电荷测量模块根据漏电率B可以采用如下公式(3)对电荷量Q进行修正，得到修正后的电荷量Q’。并根据修正后的电荷量Q’计算表面的电荷密度。

Q’＝Q/B＝V*C/B (3)

在一种可能的实现方式中，漏电率确定模块，还用于根据内外筒参数确定法拉第筒两端的两端电通量和法拉第筒的总电通量，根据两端电通量和总电通量的比值确定法拉第筒的漏电率，确定漏电率和所述内外筒参数的对应关系。

在该实现方式中，可以通过计算机软件建模进行仿真计算法拉第筒的漏电率与内外筒参数的对应关系，还可以直接根据法拉第筒的内外筒参数进行计算确定法拉第筒的漏电率与内外筒参数的对应关系，本公开对此不作限定。

在该实现方式中，在确定待测固体的参数的基础上，法拉第筒的高径比越大、法拉第筒的漏电率越小，内筒的内径越大，法拉第筒的漏电率越小。在待测固体的尺寸固定时，可以设置高径比大、内筒的内径大的法拉第筒进行测量。

举例来说，可以获取法拉第筒的内外筒参数：法拉第内外筒材料介电常数、内筒的直径、法拉第筒的高径比和法拉第筒的内筒和外筒之间的间距，根据内外筒参数建立法拉第筒的仿真模型。通过仿真模型计算出的法拉第筒的两端电通量和法拉第筒的总电通量的比值来确定不同的内外筒参数下法拉第筒的漏电率，从而确定漏电率和内外筒参数的对应关系。其中，为保证漏电率和内外筒参数的对应关系的准确性、并更满足于实际测量的对应关系使用需求，可以将仿真模型中待测固体表面电荷密度，设置为与实验所测的待测固体表面电荷密度为同数量级；还可以根据实际实验的测量数据设置仿真模型的边界条件，

图3示出根据本公开一实施例的漏电率与内外筒参数的对应关系图。如图3所示，示出了通过计算机软件建模进行仿真计算法拉第筒的漏电率与内外筒参数的对应关系，根据对应关系所绘制的曲线图。在设置好待测固体的材料信息为PTFE，待测固体的尺寸为20mm×20mm×0.46mm，固定法拉第筒的内筒和外筒之间的间距时，针对不同的法拉第筒的内筒的直径(例如，30mm、40mm、50mm)和不同的法拉第筒的高径比(例如，内筒高径比为1、2、3、4、5、6)的法拉第筒仿真模型下，法拉第筒的漏电率与法拉第筒的内外筒参数之间的关系曲线。

应当理解的是，本领域技术人员可以根据实际需要对不同材料和/或不同尺寸的待测固体确定法拉第筒的漏电率与法拉第筒的内外筒参数之间的对应关系。本领域技术人员还可以根据实际需要对确定法拉第筒的漏电率与法拉第筒的内外筒参数之间的对应关系的方式进行设置，本公开对此不作限定。

通过上述方法，可以准确地确定法拉第筒的漏电率与法拉第筒的内外筒参数之间的对应关系，而后根据所检测到的法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值、法拉第筒的漏电率计算出固-液摩擦起电后的真实电荷量，保证了测量的准确性。

应用示例

以下结合“测量单晶硅与超纯水之间摩擦起电所转移的电荷量”作为一个示例性应用场景，给出根据本公开实施例的应用示例，以便于理解利用固-液摩擦起电电荷测量装置进行电荷量转移的实现过程。本领域技术人员应理解，以下应用示例仅仅是出于便于理解本公开实施例的目的，不应视为对本公开实施例的限制。

本次实验的环境温度为22℃，湿度为63％RH，待测固体为硅片，选用的硅片为单面抛光单晶硅，抛光面的晶向是<100>，其尺寸为20mm×20mm×0.46mm，待测液体为超纯水(电阻率18MΩ*cm)。基于本公开所提供的固-液摩擦起电电荷测量装置进行实验的过程如下：

将硅片安装在运动控制模块的夹持组件上；运动控制模块检测到待测硅片安装好后且装置中的开始按钮被点击时，控制硅片在超纯水中进行直线往复运动；在直线往复运动的运动时间达到了10分钟(也即摩擦运动完成)后，运动控制模块将控制硅片停止在超纯水中的运动并将硅片从超纯水中拉出并移入法拉第筒中，并在满足移出条件时将硅片从法拉第筒中移出。

并且，运动控制模块，还用于在将满足移出条件时将待测固体从所述法拉第筒中移出之后，还可以在确定满足多次移入条件时，将待测固体再次移入法拉第筒中。而后在确定满足移出条件时继续将所述待测固体从所述法拉第筒中移出。直至将待测固体移入法拉第筒后内筒和外筒之间的电势差的差值不再变化(例如，差值为零，或者差值稳定为一个固定值)，确定待测固体所携带的电荷已经全部衰减，停止对待测固体的移入移出。

电荷测量模块在硅片移入法拉第筒之前，测量并记录法拉第筒的电势差初始值；电荷测量模块在确定硅片被移入、移出法拉第筒的过程中，按一定的频率测量并记录当摩擦后的硅片在法拉第筒中时，法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差，并确定出法拉第筒的电势差峰值。

电荷测量模块进一步计算硅片移入法拉第筒之前法拉第筒的电势差初始值与硅片处于法拉第筒中法拉第筒的电势差峰值之间的差值V。而后根据装置的漏电率确定模块预先根据法拉第筒的内外筒参数和确定的对应关系得到法拉第筒的漏电率和差值V，计算所转移的电荷量。并进一步，根据硅片的尺寸得到硅片的摩擦表面积A，进而计算硅片的表面的电荷密度。

图4示出根据本公开一实施例固-液摩擦起电电荷测量装置测量的电势差的差值的曲线图。如图4所示，根据硅片被多次移入、移出法拉第筒的过程中，测量的电势差的差值，绘制差值的变化曲线(图4中仅示出了多次移入、移出硅片过程中，前两次所测量的电势差的差值，其余多次并未示出)，以根据该曲线结合装置所处的环境湿度和/或温度来分析硅片与超纯水摩擦起电后硅片的电荷量的衰减情况，进一步为研究固液摩擦的摩擦规律、摩擦起电的机理以及拓展摩擦起电的应用提供重要的支持作用。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种固-液摩擦起电电荷测量装置，其特征在于，用于测量待测固体与待测液体摩擦起电后所转移的电荷量，包括：运动控制模块、法拉第筒、电荷测量模块和液体容器，所述法拉第筒包括内筒和外筒，

所述液体容器，位于所述法拉第筒的下方，用于盛放所述待测液体；

所述运动控制模块，用于在确定开始电荷量检测时，控制所述待测固体进入所述待测液体中进行摩擦运动，并在所述摩擦运动完成后将所述待测固体从所述待测液体中拉出并移入所述法拉第筒中，以及在满足移出条件时将所述待测固体从所述法拉第筒中移出；

所述电荷测量模块，用于测量所述待测固体移入和/或移出所述法拉第筒的过程中所述法拉第筒的内筒和外筒之间的电势差的差值，根据所述差值计算出所述待测固体与所述待测液体摩擦起电后所转移的电荷量，

其中，所述电势差的差值包括：所述待测固体移入所述法拉第筒之前所述法拉第筒的电势差初始值与所述待测固体处于所述法拉第筒中所述法拉第筒的电势差峰值之间的差值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运动控制模块包括：驱动子模块、运动传递机构，

所述驱动子模块与所述运动传递机构连接，用于驱动所述运动传递机构；

所述运动传递机构上设置有夹持组件，所述夹持组件用于夹持所述待测固体，所述运动传递机构在所述驱动子模块的驱动下进行运动，以带动所述夹持组件和所述待测固体的运动，

其中，所述夹持组件的材料包括绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述法拉第筒的内筒、外筒均为通孔结构，所述法拉第筒的材料包括金属材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

温度检测模块，用于对所述待测液体中的预设区域进行温度检测，得到区域温度，所述预设区域包括所述待测液体中与所述待测固体进行摩擦的待测液体所在的区域；

温度控制模块，用于根据预设的目标温度和所述区域温度对所述待测液体的温度进行调节，以使所述预设区域中待测液体的温度与所述目标温度之间的差值小于或等于温差阈值。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

电磁屏蔽模块，用于屏蔽外界电磁场对所述装置的干扰。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电磁屏蔽模块包括整体屏蔽部件，所述整体屏蔽部件用于屏蔽外界电磁场对所述装置本体的干扰，所述整体屏蔽部件的材料包括金属材料。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述电磁屏蔽模块包括导线屏蔽部件，所述导线屏蔽部件用于屏蔽外界电磁场通过与所述装置连接的外部导线对所述装置的干扰。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

漏电率确定模块，用于获取所述法拉第筒的内外筒参数，根据所述内外筒参数、待测固体参数和确定的对应关系得到所述法拉第筒的漏电率，

其中，所述电荷测量模块，还用于根据所述漏电率对确定出的电荷量进行修正，

所述对应关系用于指示所述内外筒参数、待测固体参数和漏电率之间的对应关系，所述法拉第筒的内外筒参数包括所述法拉第筒的内筒的直径、所述法拉第筒的高径比、所述法拉第筒的内筒和外筒之间的间距、所述法拉第筒材料；所述待测固体参数包括所述待测固体的尺寸和/或所述待测固体的材料信息。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述漏电率确定模块，还用于根据所述内外筒参数、待测固体参数确定所述法拉第筒两端的两端电通量和所述法拉第筒的总电通量，根据所述两端电通量和所述总电通量的比值确定所述法拉第筒的漏电率，确定所述漏电率和所述内外筒参数及待测固体参数的对应关系。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

固定部件，用于将内筒和外筒可拆卸地固定连接在一起。

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