一種球板摩擦電力-電實時測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種球板摩擦電力?電實時測量裝置，所述裝置包括樣品支桿、樣品運動控制單元、摩擦電測量單元、壓力測量單元及屏蔽網(wǎng)罩，所述樣品支桿用于固定摩擦電測量用樣品；所述樣品運動控制單元與樣品支桿相連接，用于控制樣品支桿的水平運動和垂向運動；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，所述法拉第筒內(nèi)固定有水平設置的摩擦板；所述壓力測量單元用于測量摩擦板受到的垂向壓力。本實用新型測量裝置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行實時測量。
【專利說明】
一種球板摩擦電力-電實時測量裝置
技術(shù)領域
[0001]本實用新型屬于物理實驗技術(shù)領域，涉及一種球板摩擦電力-電實時測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]摩擦電一直被人們認為是一個經(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)生的機理尤其是同種物質(zhì)接觸、摩擦后帶電的機理尚不明確。事實上，摩擦電的研究涉及物理、化學以及力學等多領域，是一個多學科交叉課題。對于力學在摩擦電中所起到的作用一直是學者們關注的課題，然而因為缺乏實時的摩擦電力-電同時測量裝置，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理的重要性。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，該測量裝置通過控制樣品水平運動、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]為此，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0005]—種球板摩擦電力-電實時測量裝置，包括:
[0006]樣品支桿，所述樣品支桿用于固定摩擦電測量用樣品；
[0007]樣品運動控制單元，所述樣品運動控制單元與樣品支桿相連接，用于控制樣品支桿的水平運動和垂向運動；
[0008]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，所述法拉第筒內(nèi)固定有水平設置的摩擦板；
[0009]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；
[0010]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、樣品運動控制單元、法拉第筒以及壓力測量單元外并接地;所述靜電計位于屏蔽網(wǎng)罩外。
[0011 ]進一步地，所述樣品運動控制單元包括:
[0012]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連接的第一定滑軌和第一動滑軌構(gòu)成，所述第二垂向滑軌由相互滑動連接的第二定滑軌和第二動滑軌構(gòu)成，所述第一定滑軌和第二定滑軌固定不動；
[0013]絲杠支架，所述絲杠支架水平設置且其兩端分別與第一動滑軌和第二動滑軌的上部固定連接；
[0014]絲杠，所述絲杠水平設置且其兩端通過軸承安裝于絲杠支架的兩端；
[0015]絲杠電機，所述絲杠電機與絲杠的一端相連接，用于提供絲杠轉(zhuǎn)動的動力；
[0016]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，所述樣品支桿與水平位移塊固定連接；
[0017]推動裝置，所述推動裝置與第一動滑軌和第二動滑軌相連接，能夠推動第一動滑軌和第二動滑軌作上下垂向運動。
[0018]進一步地，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。
[0019]進一步地，所述樣品運動控制單元還包括水平導軌，所述水平導軌固定于第一動滑軌和第二動滑軌的中部或下部之間，所述推動裝置與水平導軌相連接。
[0020]進一步地，所述樣品運動控制單元還包括固定板，所述固定板垂向設置并通過滑套與水平導軌相連接，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下沿水平導軌作水平移動。
[0021]進一步地，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置，所述摩擦板固定于硬彈簧上。
[0022]進一步地，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。
[0023]進一步地，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。
[0024]進一步地，所述測量裝置還包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)，所述計算機監(jiān)控系統(tǒng)與靜電計相連接，所述計算機監(jiān)控系統(tǒng)也可以與電子稱和溫濕度控制器同時連接。
[0025]進一步地，所述推動裝置為電動推桿。
[0026]本實用新型中，垂向是指豎直方向，即與水平面相垂直的方向。
[0027]本實用新型測量裝置原理如下:
[0028]測量裝置通過精確控制樣品支桿的水平和垂向運動來研究運動速度、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。
[0029]具體地，本實用新型中樣品支桿的水平運動主要由絲杠帶動，絲杠電機向絲杠提供旋轉(zhuǎn)運動的動力，絲杠又將其旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為水平位移塊的橫向水平運動。絲杠下方設置橫向的高精度水平導軌，固定板套接在水平導軌上，樣品支桿與固定板相固定，從而能夠保證樣品支桿水平運動的精度，避免樣品與水平位移塊的水平位置不相一致。推動裝置通過推動水平導軌垂向上下運動進而提供樣品支桿垂向運動的動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備垂向運動的導向部件，為樣品支桿提供準確的豎直位移。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)罩籠罩著整個設備并接地，通過靜電屏蔽的原理排除外界電磁場對設備測量結(jié)果的影響，玻璃柜屏蔽實驗周圍環(huán)境對電場的影響，并且可以實現(xiàn)溫濕度變化對摩擦電影響的測量。外接靜電計用于讀取法拉第桶感應的電荷量。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。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可實時監(jiān)測并記錄靜電計測得的摩擦電電荷量。
[0030]綜上所述，本實用新型的有益效果在于: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行實時測量;2)整個實驗過程都在屏蔽網(wǎng)罩和玻璃柜內(nèi)進行，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-摩擦電進行實時監(jiān)測并記錄，便于數(shù)據(jù)后續(xù)處理。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為本實用新型球板摩擦電力-電實時測量裝置的結(jié)構(gòu)主視圖；
[0032]圖2為本實用新型法拉第筒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為本實用新型球板摩擦電力-電實時測量裝置的結(jié)構(gòu)立體圖；
[0034]圖中，1-玻璃柜，2-屏蔽網(wǎng)罩，3-設備底座，4-第一定滑軌，5-第一動滑軌，6_第二定滑軌，7-第二動滑軌，8-絲杠支架，9-絲杠，I O-絲杠電機，11-水平位移塊，12-樣品支桿，13-上水平導軌，14-下水平導軌，15-固定板，16-卡槽，17-推桿，18-推桿電機，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。
【具體實施方式】
[0035]如圖1-3所示，一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，包括設備底座3、樣品支桿12、樣品運動控制單元、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、外接控制裝置及計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其中:
[0036]設備底座3水平設置，用作測量裝置基礎平臺；
[0037]樣品支桿12用于固定摩擦電測量用樣品23。
[0038]所述樣品運動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10、水平位移塊11及推動裝置，所述第一垂向滑軌由相互滑動連接的第一定滑軌4和第一動滑軌5構(gòu)成，所述第二垂向滑軌由相互滑動連接的第二定滑軌6和第二動滑軌7構(gòu)成，第一定滑軌4和第二定滑軌6固定于設備底座3上;絲杠支架8水平設置并固定于第一動滑軌和5第二動滑軌7的上部之間；絲杠9水平設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10與絲杠9的一端相連接，用于提供絲杠9轉(zhuǎn)動的動力；水平位移塊11與絲杠9螺紋連接并能沿絲杠9水平移動，樣品支桿12與水平位移塊11固定連接；
[0039]第一動滑軌5和第二動滑軌7之間固定有水平導軌，所述水平導軌包括上水平導軌13和下水平導軌14，其中，上水平導軌13和下水平導軌14分別固定于第一動滑軌5和第二動滑軌7的中部和下部之間，上水平導軌13與下水平導軌14均水平設置;上水平導軌13與下水平導軌14上通過滑套連接有垂向設置的固定板15，固定板15的頂邊與絲杠9相平行且其能夠沿上水平導軌13和下水平導軌14作水平移動；固定板15上還設有與固定板15相扣合的卡槽16，樣品支桿12固定于卡槽16內(nèi)；
[0040]所述推動裝置為電動推桿并設于設備底座3上，包括推桿17和推桿電機18，推桿17與下水平導軌14的一端相連接，推桿17能夠推動下水平導軌14作上下垂向運動，進而帶動第一動滑軌5和第二動滑軌7作垂向運動。
[0041 ]所述摩擦電測量單元包括法拉第筒20以及與法拉第筒20電連接的靜電計25，法拉第筒20的底部設有若干相互對稱設置的硬彈簧21，硬彈簧21上粘接有水平設置的摩擦板22;為保證測量精確性，可在法拉第筒20的上方設置筒蓋。
[0042]所述壓力測量單元由電子稱19構(gòu)成，法拉第筒20放置于電子稱19上，電子稱19位于設備底座3上。
[0043]屏蔽網(wǎng)罩2由金屬網(wǎng)構(gòu)成，且其覆罩于樣品支桿12、樣品運動控制單元、法拉第筒20、壓力測量單元及溫濕度控制單元外并接地;為便于操作，可在屏蔽網(wǎng)罩2上設置一可開啟的由金屬網(wǎng)構(gòu)成的屏蔽窗(圖中未示出)。
[0044]屏蔽網(wǎng)罩2外設有用于隔離外界環(huán)境影響的玻璃柜I，玻璃柜I外設有用于控制絲杠電機1、推桿電機18和電子稱19的外接控制裝置24，外接控制裝置24由絲杠電機控制器、電動推桿控制器和靜電計控制器構(gòu)成。
[0045]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(圖中未示出)，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玻璃柜I內(nèi)，所述溫濕度控制器位于玻璃柜I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。
[0046]所述計算機監(jiān)控系統(tǒng)與靜電計25、電子稱19及溫濕度控制器相連接，以實現(xiàn)對靜電計25所測電荷量、電子稱19所測壓力值及裝置內(nèi)溫濕度值進行實時監(jiān)測和記錄，方便后續(xù)實驗數(shù)據(jù)處理。
[0047]一種利用上述球板摩擦電力-電實時測量裝置進行球板摩擦電力-電實時測量的方法，包括如下操作步驟:
[0048](I)控制電動推桿向上推動下水平導軌14，帶動第一動滑軌5和第二動滑軌7向上運動，使樣品支桿12底端離開法拉第筒20—定距離，然后透過屏蔽網(wǎng)罩2上的屏蔽窗在樣品支桿12的底端固定摩擦用樣品23，樣品23可選用玻璃球;對摩擦板22表面進行去雜質(zhì)處理，摩擦板22可選用玻璃板；
[0049](2)通過控制絲杠電機10和絲杠9的轉(zhuǎn)動，調(diào)整水平位移塊11的水平位置并帶動樣品支桿12作水平移動，直至樣品支桿12和樣品23位于摩擦板22中心點正上方;然后蓋好法拉第桶20的桶蓋，將電子稱19清零，靜電計25調(diào)零；
[0050](3)合上屏蔽網(wǎng)罩2的屏蔽窗，將屏蔽網(wǎng)罩2接地，蓋上玻璃柜I，通過溫濕度控制器控制加熱裝置進行加熱或制冷裝置進行制冷，或加濕器進行加濕，使玻璃柜I內(nèi)溫濕度滿足實驗要求;靜電計25放置一段時間，待其讀數(shù)穩(wěn)定到零；
[0051](4)控制電動推桿向下拉動下水平導軌14，帶動第一動滑軌5和第二動滑軌7向下移動，使樣品支桿12和樣品23進入到法拉第桶20內(nèi)，并使樣品23接觸到摩擦板22，繼續(xù)向下拉動下水平導軌14直至電子稱19顯示的壓力值達到實驗所需的壓力值為止；
[0052 ] (5 )控制絲杠電機1和絲杠9的轉(zhuǎn)動，使水平位移塊11帶動樣品支桿12作水平往復運動，從而使樣品23在摩擦板22表面滑動一段距離，運動距離由實驗要求所定，達到實驗要求的運動距離時停止；
[0053] (6)控制電動推桿向上推動下水平導軌14，使樣品支桿12移出法拉第桶20外一定高度，關閉電動推桿；由計算機監(jiān)控系統(tǒng)對電子稱19測得的壓力值、靜電計25測得的電荷量及溫濕度控制器控制得到的溫濕度值進行實時監(jiān)測和記錄，方便后續(xù)實驗數(shù)據(jù)處理。
【主權(quán)項】
1.一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，包括: 樣品支桿，所述樣品支桿用于固定摩擦電測量用樣品； 樣品運動控制單元，所述樣品運動控制單元與樣品支桿相連接，用于控制樣品支桿的水平運動和垂向運動； 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，所述法拉第筒內(nèi)固定有水平設置的摩擦板； 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、樣品運動控制單元、法拉第筒以及壓力測量單元外并接地;所述靜電計位于屏蔽網(wǎng)罩外。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，所述樣品運動控制單元包括: 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連接的第一定滑軌和第一動滑軌構(gòu)成，所述第二垂向滑軌由相互滑動連接的第二定滑軌和第二動滑軌構(gòu)成，所述第一定滑軌和第二定滑軌固定不動； 絲杠支架，所述絲杠支架水平設置且其兩端分別與第一動滑軌和第二動滑軌的上部相固定； 絲杠，所述絲杠水平設置且其兩端通過軸承安裝于絲杠支架的兩端； 絲杠電機，所述絲杠電機與絲杠的一端相連接，用于提供絲杠轉(zhuǎn)動的動力； 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，所述樣品支桿與水平位移塊固定連接； 推動裝置，所述推動裝置與第一動滑軌和第二動滑軌相連接，能夠推動第一動滑軌和第二動滑軌作上下垂向運動。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，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。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，所述樣品運動控制單元還包括水平導軌，所述水平導軌固定于第一動滑軌和第二動滑軌的中部或下部之間，所述推動裝置與水平導軌相連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，所述樣品運動控制單元還包括固定板，所述固定板垂向設置并通過滑套與水平導軌相連接，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下沿水平導軌作水平移動。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，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置，所述摩擦板固定于硬彈簧上。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，還包括玻璃柜，所述玻璃柜覆罩于屏蔽網(wǎng)罩外。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，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。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，還包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)，所述計算機監(jiān)控系統(tǒng)與靜電計相連接。10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種球板摩擦電力-電實時測量裝置，其特征在于，所述推動裝置為電動推桿。
【文檔編號】G09B23/18GK205487037SQ201620073166
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月26日
【發(fā)明人】謝莉, 張岳, 胡沈沈, 包能能
【申請人】蘭州大學