專利名稱:便攜式摩擦系數測試方法及系統的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種摩擦系數的測試方法,具體地說涉及一種便攜式摩擦系數測試方 去 和系統。
背景技術:
摩擦系數是評價表面間相互力學作用的重要指標,該指標對很多機械設備的性能, 甚至安全性均有重要影響,如汽車車輪和地面間的摩擦對汽車運動的穩定性,汽車和火 車的剎車盤和剎車片間的摩擦系數對車輛的安全性。在日常生活中,摩擦的影響也十分 重要,如鞋墊和鞋子間、鞋墊和襪子間的摩擦系數不當,會經常導致鞋墊滑出;地板與 鞋底間摩擦不夠會導致行人跌倒,從而造成身體的傷害。
經典摩擦理論認為,摩擦系數僅和摩擦副材料,表面狀態及所處環境有關。隨著各 種新材料,特別是粘彈性材料的廣泛應用及人們對生物材料摩擦性能的關注,影響摩擦 系數的因素也被更加深入的研究。最新研究表明,摩擦系數可能還受到法向力、相對運 動的方式(直線、轉動)、摩擦副的接觸形式、速度等因素的影響。
摩擦系數測定的經典方法是斜面法,調節斜面的角度到置于面上的物體開始滑移, 該角度的正切為摩擦系數。目前測定摩擦系數多采用摩擦實驗機,如美國的Flax、CETR, 德國的SRV,我國試金集團的產品。這些試驗機均為大型固定式試驗機。近年來,針對 各種具體的需求,不少專用的摩擦系數的測定系統器相繼研制。
如中國專利皮膚摩擦特性專用測試裝置(CN2805689)、橡膠輪與紙張摩擦系數測試 系統(CN2187791)、測量表面靜和/或動摩擦系數(CN1717580)、纖維材料摩擦系數測 試系統(CN85201646)、連續式路面摩擦系數測試方法(CN101109695 )。美國專利 7404316,剎車副定子和轉子間摩擦系數的測試方法;美國專利7117716流體阻力和滾 動的動態摩擦測試系統。
上述摩擦系數測試方法,多為固定式裝備,摩擦副與被測表面間的運動比較固定, 對于大型工件、復雜表面和生物表面等存在裝夾和測試等問題。
發明內容
針對以上技術背景,本發明提供了一種便攜式、可用于大型工件、不規則表面和生物表面摩擦系數的測試方法及系統。
一種便攜式摩擦系數測試的方法,其特征在于采用力傳感器同步測試摩擦測試頭 經過測試表面的法向力和摩擦力,并實時顯示;利用隔膜材料覆于被測試表面一段距離 的前后兩段,將被測表面沿摩擦測試頭運動軌跡方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜 材料的待測表面段、第二段隔膜材料段,由于在被測試表面形成高度差或材料的顯著不 同,引起摩擦力和法向力的顯著變化;測試時,使摩擦測試頭依次經過第一段隔膜材茅斗 段、未覆隔膜材料的待測表面段、第二段隔膜材料段,利用傳感器測的法向力和摩擦力 的變化,確定摩擦測試頭在未覆隔膜材料的待測表面段通過的時間,考慮到運動速度的 連續性和待測表面距離較短,認為在該段距離上速度沒有變化,以此計算速度。
用有限元分析二維力傳感器法向方向和側向雙向的線性變形范圍,并設置保護裝置, 與傳感器的變形方向保留預置間隙,使其在法向變形范圍內不被過載而損壞。為保證所: 施加的法向力與傳感器的對應測力分析一致,在機架上設置了滾動的導向輪,導向輪的 運動方向與傳感器測定切向力的方向一致。
一種便攜式摩擦系數測試系統,包括摩擦測試頭、用于測試摩擦測試頭法向力和摩 擦力大小的力傳感器、與力傳感器相連的計算處理系統、還包括貼于被測試表面的隔膜 材料覆于被測試表面一段距離的前后兩段,在被測試表面形成高度差或明顯材料變化, 將被測試表面延摩擦測試頭運動軌跡方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待測 表面段、第二段隔膜材料段。具體為
所述的隔膜材料為中段鏤空的隔膜材料。
在上位機軟件中設計了摩擦力和法向力的表盤顯示。
在上位機軟件中設計了速度數值顯示。
傳感器在法向力和測力方向均有機械保護裝置,并在上位機軟件中用特殊顏色標示 出表盤指針的指示范圍。
為保證所施加的法向力與傳感器的對應測力分析一致,在機架上設置了 3-4個滾動 的導向輪,導向輪的運動方向與傳感器測定切向力的方向一致。
其中的數據經USB接口傳輸至計算機,進行顯示、分析和存儲,測試系統的力測試 電橋和數據采集處理模塊等由USB接口供電,也可由電池供電。
基于上述核心技術,本發明可提供多種不同的摩擦系數測試系統。(1)將上述測試 系統獲得的法向力、摩擦力和通過特定長度所花費的時間輸入到計算機,在計算機中計 算獲得摩擦系數,速度等結果。(2)將上述系統改為電池供電,系統添加一個液晶顯示部分,測試結果(摩擦系數,速度,法向力和摩擦力等)直接顯示。測試數據可以存f諸
在該系統內,在需要時連接的到計算機做進一步的分析。
圖l為本發明便攜式摩擦測試系統示意圖。 圖2(a)為本發明感器系統及其傳感器保護結構正視圖。 圖2(b)為本發明感器系統及其傳感器保護結構俯視圖。 圖3為本發明信號采集與處理流程。
圖4(a)為本發明測試結果額頭自然狀態下摩擦系數與滑動速度的關系。 圖4(b)為本發明測試結果額頭用護膚品后摩擦系數與滑動速度的關系。 圖中標號名稱1、力傳感器,2、法向限位保護擋塊,3、摩擦測試頭,4、切向限
位保護臺階,5、連接螺釘,6、側向間隙,7、法向間隙,8、隔膜,9、滾輪,10、運動
軌跡,11、被測表面,12、 USB電纜,13、計算機。
具體實施方法
' 表面間摩擦系數測定的核心是在一定的法向力、相對速度、表面接觸形式和材料配
對情況下,測定表面間的切向力。為此,本發明提出的測試方法包含了以下主要環節(1) 釆用二維力傳感器同步測定測試系統探頭相對測試對象運動中的法向力和摩擦力。(2) 表面間的相對運動有實驗者手臂的運動提供,速度的大小在試驗機的速度檢測環節顯示,
供測試者下次試驗時調節運動速度。(3)表面間的法向力由實驗者手臂提供,所施加的 法向力實時顯示,供實驗者及時調整所加的力。(4)為保證所施加的法向力與傳感器的 對應測力分析一致,我們在機架上設置了 3-4個滾動的導向輪,導向輪的運動方向與傳 感器測定切向力的方向一致。
如圖1及圖2所示,本實施例所涉及的便攜式摩擦系數測試系統有以下幾個部分組
-成用于測定法向力和摩擦力的二維力傳感器1,通過連接螺釘5固定在法向限位保護擋塊2 上;保護傳感器避免過載破壞的切向限位保護臺階4和法向限位保護擋塊2以及形成的 法向間隙7和側向間隙6;與傳感器固聯的摩擦測試頭3,摩擦測試頭的材料和形狀根據 測試對象的不同可以更換;被測表面的隔膜8; 4個滾輪9用于引導摩擦系數測試系統的 運動方向;傳感器的應變信號的放大、采集和傳輸有置于機匣內的USB信號采集處理系 統完成,采集器與計算機13通過USB電纜相連。摩擦實驗數據的進一步處理,摩擦系 數的計算,數據的曲線顯示、表盤指示,數據的存儲,以及測試過程中的計時,計算運 動速度等可在計算機12內完成。摩擦系數的結果也可在測試系統上直接顯示。
6利用本發明的手持便攜式摩擦實驗系統,可以直接在不規則測試對象的表面進行摩 擦系數的測定。操作簡單,使用方面。
下面結合附圖對本發明一種摩擦系數測試方法和便攜式摩擦測試系統進行詳細描述。
圖1中的摩擦系數測試系統中封裝了傳感器,傳感器保護模塊,信號處理、采集和 傳輸模塊。通過USB連接線連接至電腦(臺式或者筆記本等)。上位機軟件安裝在電月畝 中,進行數據的處理。本發明中利用USB接口給摩擦測試系統供電。
在某些情況下,摩擦系數測試過程中速度的是必須考慮的因素,因此,本發明提《共 了一種方法。圖1中隔膜8為單面有粘性的材料制成,中間有一段固定長度和寬度的矩 形缺口,缺口的尺寸根據具體實驗條件和需要確定(一般寬5-15mm,長10-40mm)。實 驗前粘性面貼于被側對象,傳感器探頭沿圖1的傳感器軌跡,從隔膜到被測表面,再到 隔膜表面,測得數據,有數據處理模塊分析并顯示,或者傳輸至計算機中進行下一步的 分析。
考慮到該測試系統的運動和法向力由測試者的手提供,為防止傳感器過載,設計中 采用了傳感器的法向和側向雙向保護裝置。通過有限元分析得出傳感器在線性變形區域 的變形量,通過在各個受力方向設置擋塊防止傳感器的變形超出其自身的范圍。在傳感 器的壓力方向,零位時其固定端固定在固定座上,根據有限元分析的結果,在其壓力方 向上,安裝了法向限位保護擋塊2,擋塊與傳感器間的間隙7為傳感器在壓力方向的線性 變形區域。在摩擦力的兩個方向同樣根據傳感器的線性變形區固定臺階4。因此傳感器在 受力的三個變形方向,實現了傳感器的過載損壞。
本發明中,傳感器信號到計算機的主要流程如圖3所。從二維力傳感器輸出的信號 首先經過數據調理模塊,經調理變成適合AD采集器轉換范圍之內的信號,AD采集模塊 進行模數轉換,之后通過USB模塊傳輸至計算機,由計算機進行進一步的處理。
圖3中傳感器信號為摩擦系數測試系統在力傳感器輸出的兩對分別代表壓力和摩擦 力的差模信號,該信號為傳感器輸出的原始信號。
圖3中信號調理模塊包括信號放大和信號調整模塊。兩路傳感器輸出信號通過放大 器進行放大,放大的倍數由AD采集器中AD模塊的功能確定。摩擦力信號是雙極信號, 而本發明中用到的AD釆集器為單極性輸入,因此其摩擦力信號的放大倍數需要根據AD 采集器的模擬輸入范圍和信號調理模塊共同決定。在本發明中,摩擦力信號在兩個相反 方向的輸出是對稱的,放大器的放大倍數為壓力信號放大倍數的一半。為了使摩擦力輸出信號范圍調整到AD采集器的模擬輸入信號范圍之內,給摩擦力信號提供一個正極f扁 移點位,使輸出的負向的摩擦力輸出信號提升到正值,適合AD釆集器的信號采集范圍。 本發明為摩擦力信號提供一個大小與摩擦力負信號的幅值相等的正電位。經調理模塊后, 摩擦力信號在兩個方向的變化范圍內的輸出值都在AD采集器的模擬輸入信號范圍之內。
圖3中的AD轉換中所用的AD芯片是16位精度,摩擦系數測試中信號屬于低頻i言 號,本發明中,AD的采樣速率控制在300-500Hz之間。AD遠遠滿足了摩擦系數測試的 需求。AD的控制由系統中的MCU負責。實現數據的轉換和數據傳輸。
圖3中的數據傳輸模塊,由于本發明中控制了采樣速率,數據量不大,因此本發明 中采用的了 USB-UART橋電路進行數據的傳輸,該電路實現了串口到USB接口的轉換, 使摩擦實驗系統具有了 USB設備所具有的功能。同時USB為整個系統,包括電路模土央 和傳感器模塊提供電源。
圖3中的數據顯示,分析和處理模塊是指計算機中客戶軟件的功能。在該軟件中, 用波器視窗實現了摩擦力和壓力的實時變化曲線。摩擦力和壓力的表盤指示。表盤中用 黃色區域標識出傳感器接近現行最大值區域,用指針指示數據的變化。
客戶軟件中,根據采集到的壓力和摩擦力的值自動計算出摩擦系數,對于壓力為零 .的數值,其對應的摩擦系數值用字母指示為無效數值。
客戶軟件中,隨實驗的啟動以毫秒為單位開始計時,在實驗結束時,可以根據壓力 數據的變化斜率找出運動的總時間,并計算出摩擦系數測定時的平均速度,并以數字形 式顯示,作為摩擦系數的一項參考值。,并提示操作者在下次實驗中根據需要適當調整運 動速度。
客戶軟件中的數據存儲功能保存了摩擦測試過程中的時間,壓力,摩擦力和摩擦系數。
客戶軟件中,實現了對插入計算機設備的自動識別。在本發明中,通過程序直接識 別插入計算機的設備所在的端口號,不需要每次使用時查找設備所在的端口號,實現了 'USB設備的熱插拔功能。
本發明進行了實驗驗證選取60名年齡在20-30歲的健康男女志愿者,其中兩類人 群男女均各占一半。整個試驗的過程是在十月中旬完成,試驗期間的環境溫度在18。C-24 'C,濕度為45%-55%之間。受試皮膚選擇前額。與皮膚接觸的探頭選用直徑為4)8mm的 不銹鋼半球,接觸載荷為0-2N,采用平移滑動摩擦方式。受測部位選定紙是內有lcmX 3cm方孔的不干膠貼紙,試驗時通過方孔選定受測部位,探頭從不干膠貼紙的一端沿著方孔滑到另一端。借助在滑行中對應數值的變化和軟件記錄的當時時刻可以求取測試過 程中探頭滑行的平均速度。在摩擦特性試驗中,不同志愿者測試部位施加的接觸正壓力、 滑行速度均為隨機。
測試結果如圖5所示,圖5 (a)額頭自然狀態下摩擦系數與滑動速度的關系;圖5 (b)額頭用護膚品后摩擦系數與滑動速度的關系;可見,在接觸壓力為0.2-2N,滑行速 度為10-60mm/S范圍內時,護膚品處理前后的皮膚摩擦系數均與施加的接觸壓力、滑行 .速度無關聯。此情況下,包括水合狀況、油脂集中程度、彈性模量、紋理特性在內的皮 膚特性的差異導致了受測者皮膚摩擦系數的差異。
權利要求
1、一種便攜式摩擦系數測試方法,其特征在于(1)、采用力傳感器同步測試摩擦測試頭經過待測表面的法向力和摩擦力,并實時顯示;(2)、利用隔膜材料覆于被測試表面一段距離的前后兩段,將被測表面沿摩擦測試頭運動軌跡方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待測表面段、第二段隔膜材料段,由于在被測試表面形成高度差或材料的顯著不同,引起摩擦力和法向力的顯著變化;(3)、測試時,使摩擦測試頭依次經過第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待測表面段、第二段隔膜材料段,利用傳感器測的法向力和摩擦力的變化,確定摩擦測試頭在未覆隔膜材料的待測表面段通過的時間,考慮到運動速度的連續性和待測表面距離較短,認為在該段距離上速度沒有變化,以此計算速度。
2、 根據權利要求1所述的便攜式摩擦系數測試方法,其特征在于用有限元分析二 維力傳感器法向方向的線性變形范圍,并設置保護裝置,與傳感器的法向保留預置間隙, 使其在法向變形范圍內不被過載而損壞。
3、 根據權利要求1所述的便攜式摩擦系數測試方法,其特征在于用有限元分析二 維力傳感器側向雙向的線性變形范圍,并設置保護裝置,與傳感器的側向保留預置間隙, 使其在法向變形范圍內不被過載而損壞。
4、根據權利要求1所述的便攜式摩擦系數測試方法,其特征在于為保證所施加的法向力與傳感器的對應測力分析一致,設置導向輪,導向輪的運動方向與傳感器測定切 向力的方向一致。
5、 一種便攜式摩擦系數測試系統,其特征在于包括摩擦測試頭(3)、用于測試摩擦測試頭法向力和摩擦力大小的力傳感器(1)、 與力傳感器相連的計算處理系統(12)、還包括貼于被測試表面(11)的隔膜材料(8), 該隔膜材料覆于被測試表面一段距離的前后兩段,在被測試表面形成高度差或明顯材料 變化,將被測試表面延摩擦測試頭運動軌跡方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料 的待測表面段、第二段隔膜材料段。
6、 根據權利要求5所述的便攜式摩擦系數測試系統,其特征在于所述的隔膜材料 為中段鏤空的隔膜材料。
7、 根據權利要求5所述的便攜式摩擦系數測試系統,其特征在于該系統還包括 去 '向力顯示、摩擦力顯示、速度顯示。
8、 根據權利要求5所述的手持便攜式摩擦系數測試系統,其特征在于傳感器在泖J 力方向均有機械保護裝置和上位機軟件過載指示。
9、 根據權利要求5所述的手持便攜式摩擦系數測試系統,其特征在于該系統設置 了3-4個滾動的導向輪(9),導向輪的運動方向與傳感器測定切向力的方向一致。
10、 根據權利要求5所述的手持便攜式摩擦系數測試系統,其特征在于該系統數據經USB接口傳輸至計算機,進行顯示、分析和存儲,測試系統的力測試電橋和數據采 集處理模塊等由USB接口供電,或由電池供電。
全文摘要
一種便攜式摩擦系數測試方法及系統,屬于摩擦系數的測試技術領域。該方法是、采用力傳感器同步測試摩擦測試頭經過測試表面的法向力和摩擦力,并實時顯示;利用隔膜材料覆于被測試表面一段距離的前后兩段,將被測表面沿摩擦測試頭運動軌跡方向分成第一段隔膜材料段、未覆隔膜材料的待測表面段、第二段隔膜材料段,由于在被測試表面形成高度差或材料的顯著不同,引起摩擦力和法向力的顯著變化;考慮到運動速度的連續性和待測表面距離較短,認為在該段距離上速度沒有變化,以此計算速度。該方法可用于大型工件、不規則表面和生物表面摩擦系數的測試,并實現設備的便攜性。
文檔編號G01N19/02GK101526462SQ200910030778
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月15日 優先權日2009年4月15日
發明者弓娟琴, 戴振東, 李宏凱, 樊鳴鳴 申請人:戴振東;李宏凱