一种往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置的制作方法

本发明涉及微纳米能源与摩擦磨损的测试设备领域，尤其涉及的是一种同时测量往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数的实验装置，适用于往复式摩擦发电摩擦学行为对电输出性能的影响及作用机理研究。

背景技术：

摩擦发电是利用摩擦起电和静定感应耦合效应的能源收集技术，往复式摩擦发电是一种重要的摩擦发电形式。

摩擦发电涉及界面摩擦和电输出性能两个方面，接触界面摩擦系数影响摩擦发电的输出性能和能量转换效率。

然而，迄今为止，尚不清楚接触界面的摩擦行为对摩擦发电输出性能的影响规律，这在很大程度上妨碍了高效率摩擦发电的实用化进程。

目前，传统的研究摩擦发电的实验装置无法在测量电输出性能的同时测量界面摩擦系数，而传统的摩擦磨损实验装置在测量接触界面摩擦系数的同时也无法同步测量电输出性能。

因此，为了澄清接触界面的摩擦系数对摩擦发电输出性能的影响规律，需要设计装配一套能够同步测量摩擦发电输出性能和界面摩擦系数的测试装置。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，可同步测试摩擦发电输出性能与摩擦系数，有助于揭示界面摩擦行为对摩擦发电输出性能的影响，利于澄清界面摩擦行为对电输出性能的作用机理。

本发明的技术方案如下：一种往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，包括摩擦发电上摩擦副装夹平台、悬臂梁、悬臂梁支撑架、应变片、摩擦发电下摩擦副装夹平台、磁轴直线电机、控制及测试电脑；其中，所述摩擦发电上摩擦副装夹平台上设置有待测试的上摩擦副，所述摩擦发电上摩擦副装夹平台设置在悬臂梁的前端，所述悬臂梁连接在悬臂梁支撑架上，所述应变片设置在悬臂梁上，所述摩擦发电下摩擦副装夹平台设置在磁轴直线电机的运动块上，并位于所述摩擦发电上摩擦副装夹平台的正下方，所述摩擦发电下摩擦副装夹平台上设置有待测试的下摩擦副，用于在所述磁轴直线电机的带动下，所述下摩擦副相对静止的上摩擦副做直线往复运动，将摩擦发电的电流和电压信号输出至所述控制及测试电脑，同时所述应变片将上、下摩擦副的摩擦信号同步输出至所述控制及测试电脑。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述悬臂梁的前端设置有砝码加载盘，该砝码加载盘位于所述摩擦发电上摩擦副装夹平台的正上方；所述悬臂梁的后端设置悬臂梁配重块。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述悬臂梁通过转轴铰接在悬臂梁支撑架中，且在所述悬臂梁支撑架的顶部还设置有调节螺杆，用于配合悬臂梁配重块调平所述悬臂梁。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述悬臂梁支撑架设置在摩擦副高度调节支架中，并通过摩擦副高度调节支架调节所述摩擦发电上摩擦副装夹平台与摩擦发电下摩擦副装夹平台之间的间距。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述摩擦副高度调节支架包括一下板、两滑轨组件、两固定板、一调节杆、一连接块、两连接板、一移动板和一支撑台；其中，所述下板水平设置，两滑轨组件的固定件经由与其相连的固定板垂直连接在该下板的两端，所述高度调节杆经由连接块连接在其中一连接板上，两连接板与相应的滑轨组件的活动件相连接，所述移动板连接在两连接板的底端之间，并位于所述下板的上方，该悬臂梁支撑架设置在所述移动板上，所述支撑台固定在与固定板相连的其中一滑轨组件的固定件的侧壁上，且所述高度调节杆的底端支撑在该支撑台上，用于通过旋转所述高度调节杆，上下调节所述悬臂梁支撑架的位置。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述磁轴直线电机上连接有一可来回移动的运动模块，所述摩擦发电下摩擦副装夹平台固定在该运动模块上；所述摩擦发电下摩擦副装夹平台包括一平面板、一定位板和四个调节块，所述平面板固定在运动模块的顶面，所述定位板经由四个调节块定位在平面板上，待测试的下摩擦副位于该定位板上，四个调节块分布在所述定位板的周边，其中两个调节块分别位于所述定位板前、后的位置，另两个调节块分别位于所述定位板左、右的位置，用于调节该定位板的位置。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述应变片经由一摩擦信号放大器与所述控制及测试电脑电性连接，用于对该应变片感应的上、下摩擦副的摩擦信号进行放大处理。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：连接所述上、下摩擦副的测试线经由一静电计和一低噪声电流放大器之后，再传输至所述控制及测试电脑，所述静电计用于测量下摩擦副在往复运动中与上摩擦副之间产生的输出电压，所述低噪声电流放大器用于测量下摩擦副在往复运动中与上摩擦副之间产生的输出电流。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：所述磁轴直线电机经由一电机运动控制器与所述控制及测试电脑电性连接，用于通过调节磁轴直线电机的运动模式、运动速度、运动位移、运动加速度、运动间歇时间，并反馈给所述控制及测试电脑。

所述的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，其中：还包括一实验平台和一静电屏蔽箱；所述磁轴直线电机和悬臂梁支撑架均设置在该实验平台上，所述磁轴直线电机、悬臂梁、悬臂梁支撑架和实验平台均位于静电屏蔽箱中。

本发明所提供的一种往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，由于将摩擦发电的电流和电压信号输出至控制及测试电脑的同时，还将上、下摩擦副的摩擦信号通过应变片同步输出至该控制及测试电脑，由此实现了摩擦发电输出性能与摩擦系数的同步测试，有助于揭示界面摩擦行为对摩擦发电输出性能的影响，利于澄清界面摩擦行为对电输出性能的作用机理，推动了高效率摩擦发电的实用化进程。

附图说明

图1是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例的结构示意图；

图2是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例所用摩擦副高度调节支架的放大示意图；

图3是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例所用磁轴直线电机和摩擦发电下摩擦副装夹平台的放大示意图；

图4是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例的测试原理示意图；

图5是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例对硅(si)—聚四氟乙烯(ptfe)的测试曲线图；

图6是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例对石墨烯纳晶嵌层碳膜(gsec)—聚四氟乙烯(ptfe)的测试曲线图。

其中，图1~4中所用各标号的零部件名称有：摩擦信号放大器1、电桥盒2、磁轴直线电机3、运动模块301、保护盖板302、摩擦发电下摩擦副装夹平台4、平面板401、定位板402、调节块403、砝码加载盘5、应变片6、悬臂梁7、悬臂梁支撑架8、转轴801、调节螺杆9、悬臂梁配重块10、摩擦副高度调节支架11、调节杆1101、连接块1102、滑轨组件1103、连接板1104、固定板1105、下板1106、支撑台1107、移动板1108、实验平台12、静电屏蔽箱13、摩擦发电上摩擦副装夹平台14、上铜电极1401、聚四氟乙烯(ptfe)层1402、下铜电极410、硅层420、石墨烯纳晶嵌层碳膜(gsec)层430、电阻440、控制及测试电脑15、电机控制器16、静电计17、低噪声电流放大器18。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。

如图1所示，图1是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例的结构示意图；该往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置包括磁轴直线电机3、摩擦发电下摩擦副装夹平台4、一对应变片6、悬臂梁7、悬臂梁支撑架8、摩擦发电上摩擦副装夹平台14、控制及测试电脑15；其中，所述摩擦发电上摩擦副装夹平台14上设置有待测试的上摩擦副，所述摩擦发电上摩擦副装夹平台14设置在悬臂梁7的前端，所述悬臂梁7连接在悬臂梁支撑架8上，所述应变片6对称设置在悬臂梁7上且位于该悬臂梁7的变形部位，所述摩擦发电下摩擦副装夹平台4设置在磁轴直线电机3的运动块上，并位于所述摩擦发电上摩擦副装夹平台14的正下方，所述摩擦发电下摩擦副装夹平台4上设置有待测试的下摩擦副，用于在所述磁轴直线电机3的带动下，所述下摩擦副相对静止的上摩擦副做直线往复运动，将摩擦发电的电流和电压信号输出至所述控制及测试电脑15，同时所述应变片6将上、下摩擦副的摩擦信号同步输出至所述控制及测试电脑15，该控制及测试电脑15通过安装在其内部的信息采集软件在采集并存储电流和电压数据的同时记录摩擦信息。

本发明的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，通过将摩擦发电的电流和电压信号输出至控制及测试电脑的同时，还将上、下摩擦副的摩擦信号通过应变片同步输出至该控制及测试电脑，在测量摩擦发电输出电压或输出电流的同时测量摩擦系数，由此实现了摩擦发电输出性能与摩擦系数的同步测试，进一步计算可得出摩擦发电机输出功率，通过对数据的处理和分析，可以解释摩擦发电输出性能与摩擦系数之间的关系，有助于揭示界面摩擦行为对摩擦发电输出性能的影响，利于澄清界面摩擦行为对电输出性能的作用机理，推动了高效率摩擦发电的实用化进程。

在本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置的具体实施方式中，较好的是，所述悬臂梁7的前端设置有砝码加载盘5，该砝码加载盘5位于所述摩擦发电上摩擦副装夹平台14的正上方，用于增减定量的砝码，以调节对所述上摩擦副所施加正压力的载荷；所述悬臂梁7的后端设置悬臂梁配重块10，用于平衡和稳定所述悬臂梁7。

较好的是，所述悬臂梁7通过转轴801铰接在悬臂梁支撑架8中，且在所述悬臂梁支撑架8的顶部还设置有调节螺杆9，用于配合悬臂梁配重块10调平所述悬臂梁7，以确保上、下摩擦副之间完全接触。

较好的是，所述悬臂梁支撑架8设置在摩擦副高度调节支架11中，并通过该摩擦副高度调节支架11调节所述摩擦发电上摩擦副装夹平台14相对于摩擦发电下摩擦副装夹平台4的高度(或间距)，以适配测试不同厚度的上、下摩擦副。

具体的，结合图2所示，图2是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例所用摩擦副高度调节支架的放大示意图；该摩擦副高度调节支架11包括一下板1106、两滑轨组件1103、两固定板1105、一调节杆1101、一连接块1102、两连接板1104、一移动板1108和一支撑台1107；其中，所述下板1106水平设置，两滑轨组件1103的固定件经由与其相连的固定板1105垂直连接在该下板1106的两端，所述高度调节杆1101经由连接块1102连接在其中一连接板1104上，两连接板1104与相应的滑轨组件1103的活动件相连接，图1中的悬臂梁支撑架8设置在所述移动板1108上，该移动板1108连接在两连接板1104的底端之间，并位于所述下板1106的上方，所述支撑台1107固定在与固定板1105相连的其中一滑轨组件1103的固定件的侧壁上，且所述高度调节杆1101的底端支撑在该支撑台1107上，用于通过旋转所述高度调节杆1101，上下调节所述悬臂梁支撑架8的位置，进而调节所述摩擦发电上摩擦副装夹平台14相对与摩擦发电下摩擦副装夹平台4的高度。

具体的，结合图3所示，图3是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例所用磁轴直线电机和摩擦发电下摩擦副装夹平台的放大示意图；所述磁轴直线电机3上连接有一可来回移动的运动模块301，所述摩擦发电下摩擦副装夹平台4固定在该运动模块301上；所述摩擦发电下摩擦副装夹平台4包括一平面板401、一定位板402和四个调节块403，所述平面板401固定在运动模块301的顶面，所述定位板402经由四个调节块403定位在平面板401上，待测试的下摩擦副位于该定位板402上，四个调节块403分布在所述定位板402的周边，其中两个调节块403分别位于所述定位板402前、后的位置，另两个调节块分别位于所述定位板402左、右的位置，用于调节该定位板402的位置，进而调节下摩擦副与上摩擦副对中。

较好的是，在磁轴直线电机3的顶面，与所述运动模块301之间，设置有一保护盖板302，用于防止测试过程中因上、下摩擦副摩擦而掉落的碎屑和灰尘。

返回图1所示，在本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置的具体实施方式中，较好的是，该往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置还包括一实验平台12和一静电屏蔽箱13；所述磁轴直线电机3设置在该实验平台12上，所述悬臂梁支撑架8通过摩擦副高度调节支架11也设置在该实验平台12上，所述磁轴直线电机3、悬臂梁支撑架8、摩擦副高度调节支架11和实验平台12均位于静电屏蔽箱13中，以消除环境静电对输出电压和输出电流测量的影响，确保输出电压和输出电流测量的准确性。

较好的是，所述应变片6经由一摩擦信号放大器1与所述控制及测试电脑15电性连接，用于对该应变片6感应的上、下摩擦副的摩擦信号进行放大处理，通过标定，获得应变片6信号与摩擦力之间的线性关系，实验时可通过应变信号可以求得摩擦力，而摩擦力与载荷之比即为摩擦系数；此外，还可在所述摩擦信号放大器1与应变片6之间设置一电桥盒2，以方便连接和切换应变片6的测试线。

较好的是，连接所述上、下摩擦副的测试线经由一静电计17和一低噪声电流放大器18之后，再传输至所述控制及测试电脑15，所述静电计17用于测量下摩擦副在往复运动中与上摩擦副之间产生的输出电压，所述低噪声电流放大器18用于测量下摩擦副在往复运动中与上摩擦副之间产生的输出电流。

较好的是，所述磁轴直线电机3经由一电机运动控制器16与所述控制及测试电脑15电性连接，用于通过调节磁轴直线电机3的运行速度，并反馈给所述控制及测试电脑15。所述电机控制器16与控制及测试电脑15通过usb接口通信，可控制的运动参数包括运动模式、运动速度、运动位移、运动加速度、运动间歇时间等，通过改变这些运动参数，可以模拟往复式摩擦发电的不同工作状态。

进而使得本发明的往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置可以模拟往复式摩擦发电不同的工作状态，通过调节磁轴直线电机3的运行参数及施加载荷，可以模拟往复式摩擦发电的不同工作状态，可用于研究位移量、速度、加速度、间歇时间等要素对摩擦发电输出性能的影响，为提高往复式摩擦发电输出性能和能量转换效率提供有效指导。

结合图4所示，图4是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例的测试原理示意图，(a)状态是上、下摩擦副完全接触时的电荷状态，(b)状态是下摩擦副向右滑动时的电荷状态，(c)状态是下摩擦副向右滑动至极限位置时的电荷状态，(d)状态是下摩擦副向左滑动时的电荷状态；其中，所述上摩擦副由上铜电极1401和聚四氟乙烯(ptfe)层1402组成，所述下摩擦副由石墨烯纳晶嵌层碳膜(gsec)层430、硅层420和下铜电极410组成，所述上摩擦副的上铜电极1401与下摩擦副的下铜电极410的连接线中串联一电阻440，测试时载荷加载在上摩擦副上，聚四氟乙烯(ptfe)层1402与石墨烯纳晶嵌层碳膜(gsec)层430相接触摩擦。在(a)状态下，没有电流流过电阻440；在(b)状态下，有电流从下摩擦副的下铜电极410经电阻440流向上摩擦副的上铜电极1401；在(c)状态下，没有电流流过电阻；在(d)状态下，有电流从上摩擦副的上铜电极1401经电阻440流向下摩擦副的下铜电极410。

可见，由于上下摩擦副的材料对电子的束缚能力不同，在摩擦起电和静电感应耦合作用下，电子在上下摩擦副之间转移，并在外部回路生成交变电流和电压。

同步测试实施例一、如图5所示，图5是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例对硅(si)—聚四氟乙烯(ptfe)的测试曲线图；该测试曲线包括对硅(si)与聚四氟乙烯(ptfe)材料的摩擦副进行电压、电流和摩擦系数的测试；曲线501代表输出电压随时间的变化情况，横坐标单位为s，纵坐标单位为v；曲线502代表输出电流随时间的变化情况，横坐标单位为秒s，纵坐标单位为μa；曲线503代表摩擦系数随时间的变化情况，横坐标单位为s，纵坐标无单位；该测试曲线图的测试条件是：湿度60±10%；温度25±0.5℃；载荷3n；磁轴直线电机运行速度1.92cm/s。

同步测试实施例二、如图6所示，图6是本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置实施例对石墨烯纳晶嵌层碳膜(gsec)—聚四氟乙烯(ptfe)的测试曲线图；该测试曲线包括对石墨烯纳晶嵌层碳膜(gsec)与聚四氟乙烯(ptfe)材料的摩擦副进行电压、电流和摩擦系数的测试；曲线601代表输出电压随时间的变化情况，横坐标单位为s，纵坐标单位为v；曲线602代表输出电流随时间的变化情况，横坐标单位为秒s，纵坐标单位为μa；曲线603代表摩擦系数随时间的变化情况，横坐标单位为s，纵坐标无单位；该测试曲线图的测试条件是：湿度60±10%；温度25±0.5℃；载荷3n；磁轴直线电机运行速度1.92cm/s。

以上两个同步测试实施例的结果证明，本发明往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置不仅能测得摩擦发电的摩擦系数，而且能够测得摩擦发电输出电压、输出电流，实现了预期的功能，既可以用来研究摩擦发电中界面摩擦行为对输出电压和输出电流的影响，还可以辅以其他分析手段可以阐明界面接触状态及摩擦对摩擦发电输出电压、输出电流的作用机理。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。