一種球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置及利用該裝置進(jìn)行的球板摩擦電測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]摩擦電一直被人們認(rèn)為是一個(gè)經(jīng)典的物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)已有近三千年歷史，然而對于摩擦電發(fā)生的機(jī)理尤其是同種物質(zhì)接觸、摩擦后帶電的機(jī)理尚不明確。事實(shí)上，摩擦電的研究涉及物理、化學(xué)以及力學(xué)等多領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉課題。對于力學(xué)在摩擦電中所起到的作用一直是學(xué)者們關(guān)注的課題，然而因?yàn)槿狈?shí)時(shí)的摩擦電力-電同時(shí)測量裝置，所以無法很好地理解力在摩擦電中所起到的作用、以及力對揭示摩擦電機(jī)理的重要性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置，該測量裝置通過控制樣品水平運(yùn)動(dòng)、垂向壓力及環(huán)境溫濕度等，來考察相對摩擦速度、摩擦距離、壓力及溫濕度等對摩擦電的影響。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述裝置進(jìn)行的球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量方法。
[0005]為此，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置，包括:
樣品支桿，所述樣品支桿用于固定摩擦電測量用樣品；
樣品運(yùn)動(dòng)控制單元，所述樣品運(yùn)動(dòng)控制單元與樣品支桿相連接，用于控制樣品支桿的水平運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)；
摩擦電測量單元，所述摩擦電測量單元包括法拉第筒以及與法拉第筒電連接的靜電計(jì)，所述法拉第筒內(nèi)固定有水平設(shè)置的摩擦板；
壓力測量單元，所述壓力測量單元用于測量摩擦板受到的垂向壓力；
屏蔽網(wǎng)罩，所述屏蔽網(wǎng)罩由金屬網(wǎng)構(gòu)成，且其覆罩于樣品支桿、樣品運(yùn)動(dòng)控制單元、法拉第筒以及壓力測量單元外并接地;所述靜電計(jì)位于屏蔽網(wǎng)罩外。
[0006]進(jìn)一步地，所述樣品運(yùn)動(dòng)控制單元包括:
第一垂向滑軌及第二垂向滑軌，所述第一垂向滑軌由相互滑動(dòng)連接的第一定滑軌和第一動(dòng)滑軌構(gòu)成，所述第二垂向滑軌由相互滑動(dòng)連接的第二定滑軌和第二動(dòng)滑軌構(gòu)成，所述第一定滑軌和第二定滑軌固定不動(dòng)；
絲杠支架，所述絲杠支架水平設(shè)置且其兩端分別與第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌的上部固定連接；
絲杠，所述絲杠水平設(shè)置且其兩端通過軸承安裝于絲杠支架的兩端；
絲杠電機(jī)，所述絲杠電機(jī)與絲杠的一端相連接，用于提供絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力；
水平位移塊，所述水平位移塊與絲杠螺紋連接并能沿絲杠水平移動(dòng)，所述樣品支桿與水平位移塊固定連接；
推動(dòng)裝置，所述推動(dòng)裝置與第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌相連接，能夠推動(dòng)第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌作上下垂向運(yùn)動(dòng)。
[0007]進(jìn)一步地，所述壓力測量單元由電子稱構(gòu)成，所述法拉第筒放置于所述電子稱上。
[0008]進(jìn)一步地，所述樣品運(yùn)動(dòng)控制單元還包括水平導(dǎo)軌，所述水平導(dǎo)軌固定于第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌的中部或下部之間，所述推動(dòng)裝置與水平導(dǎo)軌相連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述樣品運(yùn)動(dòng)控制單元還包括固定板，所述固定板垂向設(shè)置并通過滑套與水平導(dǎo)軌相連接，所述固定板的頂邊與絲杠相平行，所述樣品支桿與固定板固定連接，所述固定板能夠在樣品支桿的帶動(dòng)下沿水平導(dǎo)軌作水平移動(dòng)。
[0010]進(jìn)一步地，所述摩擦電測量單元還包括若干硬彈簧，所述硬彈簧固定于法拉第筒底部并相互對稱設(shè)置，所述摩擦板固定于硬彈簧上。
[0011]進(jìn)一步地，所述測量裝置還包括玻璃柜，所述玻璃柜覆罩于屏蔽網(wǎng)罩外。
[0012]進(jìn)一步地，所述測量裝置還包括溫濕度控制單元，所述溫濕度控制單元包括加熱裝置、制冷裝置、加濕器、溫度傳感器、濕度傳感器及溫濕度控制器，所述加熱裝置、制冷裝置、加濕器、溫度傳感器及濕度傳感器位于屏蔽網(wǎng)罩內(nèi)，所述溫濕度控制器位于玻璃柜外，所述加熱裝置、制冷裝置、加濕器、溫度傳感器及濕度傳感器分別與溫濕度控制器相連接。
[0013]進(jìn)一步地，所述測量裝置還包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與靜電計(jì)相連接，所述計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也可以與電子稱和溫濕度控制器同時(shí)連接。
[0014]一種球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量方法，采用上述球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置進(jìn)行測量，并包括如下操作步驟:
(1)控制推動(dòng)裝置推動(dòng)第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌向上運(yùn)動(dòng)，使樣品支桿底端離開法拉第筒一定距離，然后在樣品支桿的底端固定摩擦樣品，對摩擦板表面進(jìn)行去雜質(zhì)處理；
(2)通過控制絲杠電機(jī)和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整水平位移塊的水平位置并帶動(dòng)樣品支桿作水平移動(dòng)，直至樣品支桿和摩擦樣品位于摩擦板中心點(diǎn)正上方;將電子稱清零，靜電計(jì)調(diào)零；
(3)將屏蔽網(wǎng)罩蓋好并接地，然后蓋好玻璃柜，調(diào)節(jié)玻璃柜內(nèi)溫濕度，使玻璃柜內(nèi)溫濕度能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求;靜電計(jì)放置一段時(shí)間，使其讀數(shù)穩(wěn)定到零；
(4)控制推動(dòng)裝置拉動(dòng)第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌向下移動(dòng)，使樣品支桿和摩擦樣品進(jìn)入到法拉第桶內(nèi)，并使摩擦樣品接觸到摩擦板，繼續(xù)向下拉動(dòng)第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌直至電子稱顯示的壓力值達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的壓力值為止；
(5 )控制絲杠電機(jī)和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，使水平位移塊帶動(dòng)樣品支桿作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使摩擦樣品在摩擦板表面滑動(dòng)一定距離，運(yùn)動(dòng)距離由實(shí)驗(yàn)要求所定，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的運(yùn)動(dòng)距離時(shí)停止；
(6)控制推動(dòng)裝置向上推動(dòng)第一動(dòng)滑軌和第二動(dòng)滑軌，使樣品支桿移出法拉第桶外一定高度，關(guān)閉推動(dòng)裝置，讀取靜電計(jì)示數(shù)。
[0015]本發(fā)明中，垂向是指豎直方向，即與水平面相垂直的方向。
[0016]本發(fā)明測量裝置原理如下:
測量裝置通過精確控制樣品支桿的水平和垂向運(yùn)動(dòng)來研究運(yùn)動(dòng)速度、摩擦距離及壓力對摩擦起電的影響。由電荷守恒可知，相對摩擦的兩絕緣體所帶電荷大小相等，電性相反，所以可以由此測量摩擦帶電量。
[0017]具體地，本發(fā)明中樣品支桿的水平運(yùn)動(dòng)主要由絲杠帶動(dòng)，絲杠電機(jī)向絲杠提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，絲杠又將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平位移塊的橫向水平運(yùn)動(dòng)。絲杠下方設(shè)置橫向的高精度水平導(dǎo)軌，固定板套接在水平導(dǎo)軌上，樣品支桿與固定板相固定，從而能夠保證樣品支桿水平運(yùn)動(dòng)的精度，避免樣品與水平位移塊的水平位置不相一致。推動(dòng)裝置通過推動(dòng)水平導(dǎo)軌垂向上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)而提供樣品支桿垂向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力并控制樣品與摩擦板之間的壓力。第一垂向滑軌和第二垂向滑軌為設(shè)備垂向運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向部件，為樣品支桿提供準(zhǔn)確的豎直位移。法拉第桶用于測量樣品和摩擦板摩擦產(chǎn)生的電荷大小，具體是通過測量摩擦板的帶電量來測量摩擦產(chǎn)生的電荷大小。高精度電子稱測量樣品與摩擦板的接觸壓力。屏蔽網(wǎng)罩籠罩著整個(gè)設(shè)備并接地，通過靜電屏蔽的原理排除外界電磁場對設(shè)備測量結(jié)果的影響，玻璃柜屏蔽實(shí)驗(yàn)周圍環(huán)境對電場的影響，并且可以實(shí)現(xiàn)溫濕度變化對摩擦電影響的測量。外接靜電計(jì)用于讀取法拉第桶感應(yīng)的電荷量。法拉第桶內(nèi)摩擦板由硬彈簧支撐，可以避免由于摩擦板與樣品接觸壓力過大對樣品造成損壞。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄靜電計(jì)測得的摩擦電電荷量。
[0018]綜上所述，本發(fā)明的有益效果在于:I)可精確測量相對摩擦速度、摩擦距離、接觸壓力、溫濕度等多個(gè)變量對摩擦電電荷量的影響，并能對摩擦電電荷量的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測量;2)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都在屏蔽網(wǎng)罩和玻璃柜內(nèi)進(jìn)行，有效排除了周圍環(huán)境對電荷測量的影響；3)控制方便，能夠精確控制樣品的摩擦速度、接觸壓力以及裝置內(nèi)部溫濕度，而且操作控制都在屏蔽網(wǎng)罩和玻璃柜外完成，進(jìn)一步避免了外界環(huán)境對摩擦電測量帶來的影響;4)可對力-摩擦電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄，便于數(shù)據(jù)后續(xù)處理。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置的結(jié)構(gòu)主視圖；
圖2為本發(fā)明法拉第筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置的結(jié)構(gòu)立體圖；
圖中，1-玻璃柜，2-屏蔽網(wǎng)罩，3-設(shè)備底座，4-第一定滑軌，5-第一動(dòng)滑軌，6-第二定滑軌，7-第二動(dòng)滑軌，8-絲杠支架，9-絲杠，10-絲杠電機(jī)，11-水平位移塊，12-樣品支桿，13-上水平導(dǎo)軌，14-下水平導(dǎo)軌，15-固定板，16-卡槽，17-推桿，18-推桿電機(jī)，19-電子稱，20-法拉第筒，21-硬彈簧，22-摩擦板，23-樣品，24-外接控制裝置，25-靜電計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
如圖1-3所示，一種球板摩擦電力-電實(shí)時(shí)測量裝置，包括設(shè)備底座3、樣品支桿12、樣品運(yùn)動(dòng)控制單元、摩擦電測量單元、壓力測量單元、溫濕度控制單元、屏蔽網(wǎng)罩2、玻璃柜1、外接控制裝置及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其中:
設(shè)備底座3水平設(shè)置，用作測量裝置基礎(chǔ)平臺(tái)；
樣品支桿12用于固定摩擦電測量用樣品23。
[0021]所述樣品運(yùn)動(dòng)控制單元包括第一垂向滑軌、第二垂向滑軌、絲杠支架8、絲杠9、絲杠電機(jī)10、水平位移塊11及推動(dòng)裝置，所述第一垂向滑軌由相互滑動(dòng)連接的第一定滑軌4和第一動(dòng)滑軌5構(gòu)成，所述第二垂向滑軌由相互滑動(dòng)連接的第二定滑軌6和第二動(dòng)滑軌7構(gòu)成，第一定滑軌4和第二定滑軌6固定于設(shè)備底座3上;絲杠支架8水平設(shè)置并固定于第一動(dòng)滑軌和5第二動(dòng)滑軌7的上部之間；絲杠9水平設(shè)置且其兩端通過軸承(圖中未示出)安裝于絲杠支架8的兩端;絲杠電機(jī)10與絲杠9的一端相連接，用于提供絲杠9轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力；水平位移塊11與絲杠9螺紋連接并能沿絲杠9水平移動(dòng)，樣品支桿12與水平位移塊11固定連接；
第一動(dòng)滑軌5和第二