本實用新型涉及黏附力和電量測量領域，尤其涉及一種黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量裝置及測量方法。
背景技術：
壁虎具有高強的攀爬黏附能力，研究表明其腳掌的層級結構是其強黏附力的來源，背后的黏附機制為范德華力作用機制。而近期研究在壁虎腳掌的接觸黏附過程中在接觸面上檢測到了電學信號，數據表明接觸/摩擦電引起的靜電作用對壁虎腳掌的黏附具有一定貢獻。
以壁虎腳掌為仿生對象，研究人員利用如碳納米管陣列（vacnt）、聚二甲基硅氧烷（pdms）等不同材料制備了與腳掌剛毛結構相似的仿生黏附材料。當前研制的仿生黏附材料黏附力可達到100n/cm2，遠大于壁虎腳掌可提供的黏附力，但在其他黏附性能（例如穩定性、自清潔性等）方面，黏附材料弱于壁虎腳掌。這要求我們對黏附材料的黏附機制進一步探索以尋求改進。對于黏附材料的黏附機制而言，傳統研究認為范德華力作用機制占據主導地位。黏附材料與目標表面之間發生接觸，然后在預壓力的作用下導致黏附。
對于黏附材料的接觸黏附過程而言，材料之間發生的接觸/摩擦將導致接觸/摩擦電現象。對于材料間存在的接觸/摩擦電現象已有大量研究，其中與力學作用相關的研究表明，材料間的接觸/摩擦電現象源于電荷的重新分布，這將在接觸材料之間引起靜電作用。對于黏附材料而言，其在具有黏附力的同時，也具有接觸-摩擦電現象，但是由于黏附過程中接觸/摩擦電信號較為微弱，接觸/摩擦電引起的靜電作用對黏附力造成的影響一直未能夠得到量化。針對當前研究中這一空缺，目前亟需實用新型一種可靠穩定的針對黏附材料黏附力和接觸/摩擦電信號同步測量的裝置。
要研究黏附材料接觸黏附過程中接觸/摩擦電信號對黏附力造成的影響，首先需要針對黏附材料實現接觸黏附過程的移動平臺，該平臺應具有可設置不同黏附運動模式、不同接觸過程參數的特征。然后需要設計接觸模塊的結構以及力電信號的反饋方式，以保證接觸黏附過程中力和電信號的采集。最后需要可實時同步采集并顯示力學信號和電學信號的計算機終端，并且應具有量化分析黏附材料接觸黏附過程中靜電作用和黏附作用關系的能力。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提出一種接觸模式和黏附運動參數可調，并能夠實時同步獲取黏附材料接觸黏附過程中的黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量裝置及測量方法。
本實用新型通過以下方案達到上述目標：
一種黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量裝置，包括二維移動平臺控制裝置、力信號采集裝置和電信號采集裝置，
二維移動平臺控制裝置包括臺板、二維移動平臺、固定臺和計算機終端，臺板水平放置，二維移動平臺具有終端驅動和手動驅動兩種模式，二維移動平臺立式安裝在臺板上，二維移動平臺導線連接計算機終端，固定臺安裝在二維移動平臺的移動面上；計算機終端預設程序，程序具有固定臺不動模式和依據設定參數二維移動模式；
力信號采集裝置包括下樣品臺、上樣品臺、壓力應變傳感器和力信號數據采集卡，下樣品臺固定在臺板上，上樣品臺通過螺栓連接壓力應變傳感器的一端，壓力應變傳感器的另一端通過螺栓連接懸臂梁，懸臂梁安裝在固定臺上，壓力應變傳感器的電壓信號通過導線連接力信號數據采集卡，力信號數據采集卡導線連接計算機終端；
電信號采集裝置包括上接觸模塊、下接觸模塊、靜電計和電信號數據采集卡，上接觸模塊固定于上樣品臺上，上接觸模塊的表層為黏附材料層，下接觸模塊固定于下樣品臺上，下接觸模塊的表層為黏附目標層；黏附材料層位于黏附目標層的正上方；上接觸模塊和下接觸模塊內的導電銀膠層引出導線連接靜電計，靜電計導線連接電信號數據采集卡，電信號數據采集卡導線連接計算機終端。
對本實用新型技術方案的優選，同步測量裝置還包括靜電屏蔽罩，二維移動平臺控制裝置、力信號采集裝置、電信號采集裝置、上接觸模塊和下接觸模塊都位于靜電屏蔽罩內，靜電屏蔽罩接地，用以屏蔽周圍環境電場對電信號采集造成的干擾。
對本實用新型技術方案的優選，上接觸模塊和下接觸模塊分別由絕緣膠層粘接在上樣品臺和下樣品臺上。
對本實用新型技術方案的優選，上接觸模塊由絕緣膠層、導電銅箔、導電銀膠層和黏附材料層疊加而成；下接觸模塊由絕緣膠層、導電銅箔、導電銀膠層和黏附目標層疊加而成。層級結構可以保證不影響黏附材料黏附性能表現，同時保證電信號的輸出。
對本實用新型技術方案的優選，黏附材料層為碳納米管黏附陣列材料、聚二甲基硅氧烷材料或聚酰亞胺材料。
對本實用新型技術方案的優選，黏附目標層為二氧化硅材料、聚四氟乙烯材料或各類金屬薄片材料。
本實用新型提出一種黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量方法，包括步驟如下：
步驟1：二維移動平臺手動驅動模式下調整上樣品臺的位置，取下上樣品臺；
步驟2：在上樣品臺和下樣品臺表面分別進行裝樣；上接觸模塊裝在上樣品臺表面上，下接觸模塊裝在下樣品臺表面上；
步驟3：實驗初始化時調整壓力應變傳感器的位置，使其與上樣品臺保持恰當距離以保證單次實驗時間，對靜電計和壓力應變傳感器反饋的信號進行調零處理；
步驟4：調整計算機終端為接觸黏附運動模式，分別測量黏附材料法向黏附力和切向黏附力，設定接觸速度與預壓載荷等參數，驅動二維移動平臺，使黏附材料層與黏附目標層進行接觸黏附過程；同時力信號采集裝置和電信號采集裝置實時同步采集黏附力和接觸對表面電荷量的變化，計算機終端記錄力學數據和電學數據；
步驟5：實驗完畢后，在計算機終端上對采集的力學數據和電學數據進行同步處理；
步驟6：根據步驟5內的力學數據和電學數據，分析黏附材料接觸黏附過程中靜電作用對黏附力的影響。
本實用新型技術方案中計算機終端為已知技術，在計算機終端內預設的程序為本技術領域內的已知技術。
本實用新型技術方案中的數據采集器為本技術領域內的常規技術，本實用新型不作詳細說明。
本實用新型技術方案中的二維移動平臺為已知產品，是外購件，直接購買獲得。
本實用新型與現有技術相比，其有益效果是：
1、本實用新型將力學測量系統和電學測量系統進行了集成，通過對上接觸模塊、下接觸模塊的層級結構的設計，使得在接觸黏附過程中可同時兼顧力信號和電信號的采集；所包含的上樣品臺、下樣品臺以及壓力應變傳感器的懸臂梁設計相較于一般的接觸/摩擦電采集裝置，對黏附材料的黏附過程而言更具有針對性，測得的黏附力能夠作為黏附力性能的評價標準。
2、本實用新型所使用的二維移動平臺，能夠通過計算機終端對黏附材料的接觸黏附過程中的接觸-分離運動模式進行設計，并能夠實現不同參數（載荷、頻率）的接觸黏附過程；所使用的二維力傳感器和靜電計在保證量程范圍的同時具有極高的精密度；對上下接觸模塊的雙通道同步監測，同步采集的雙通道電學信號有助于分析黏附材料和目標接觸面表面帶電量的同步變化，能夠驗證接觸/摩擦電的原理；靜電屏蔽罩的設計，有利于維持實驗外部電學環境的穩定，降低環境電量對測試結果造成的影響。
附圖說明
圖1是黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量裝置的布置圖。
圖2是上接觸模塊和下接觸模塊的結構示意圖。
圖3是實驗流程圖。
上述圖中的編號名稱：1臺板；2二維移動平臺；3電機；4固定臺；5下樣品臺；6下接觸模塊；7上接觸模塊；8上樣品臺；9壓力應變傳感器；10懸臂梁；11力信號數據采集卡；12靜電計；13電信號數據采集卡；14計算機終端；15靜電屏蔽罩；6-1絕緣膠層；6-2導電銅箔；6-3導電銀膠層；6-4黏附目標層；7-1黏附材料層。
具體實施方式
下面對本實用新型技術方案進行詳細說明，但是本實用新型的保護范圍不局限于所述實施例。
為使本實用新型的內容更加明顯易懂，以下結合附圖1-3和具體實施方式做進一步的描述。
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
實施例：
如圖1所示，本實施例的一種黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量裝置，包括二維移動平臺控制裝置、力信號采集裝置和電信號采集裝置。
二維移動平臺控制裝置包括臺板1、二維移動平臺2、固定臺4和計算機終端14，臺板1水平放置，二維移動平臺2具有終端驅動和手動驅動兩種模式，二維移動平臺2立式安裝在臺板1上，二維移動平臺2導線連接計算機終端14，固定臺4安裝在二維移動平臺2的移動面上；計算機終端14預設程序，程序具有固定臺4不動模式和依據設定參數二維移動模式。
計算機終端14通過設置程序產生的觸發信號驅動二維移動平臺2內的電機3控制二維移動平臺2的移動，進而固定臺4實現相應的空間運動過程。計算機終端14集二維移動平臺控制、電學和力學信號采集顯示、實時信號同步處理為一體。該裝置開始實驗后，通過計算機終端14來控制黏附材料和黏附目標表面的相對移動，通過力信號采集裝置和電信號采集裝置實現黏附力和接觸/摩擦電信號的同步采集。
力信號采集裝置包括下樣品臺5、上樣品臺8、壓力應變傳感器9和力信號數據采集卡11，下樣品臺5固定在臺板1上，上樣品臺8通過螺栓連接壓力應變傳感器9的一端，壓力應變傳感器9的另一端通過螺栓連接懸臂梁10，懸臂梁10安裝在固定臺4上，壓力應變傳感器9的電壓信號通過導線連接力信號數據采集卡11，力信號數據采集卡11導線連接計算機終端14。
本實施例中壓力應變傳感器9以二維力傳感器為例，通過上述二維移動平臺2與固定臺4相連的上樣品臺8實現預期空間運動，二維力傳感器在上樣品臺8運動過程中采集相應力學信號，并且產生的電壓信號通過力信號數據采集卡11傳輸到計算機終端14進行實時顯示以及記錄。
電信號采集裝置包括上接觸模塊7、下接觸模塊6、靜電計12和電信號數據采集卡13，上接觸模塊7固定于上樣品臺8上，上接觸模塊7的表層為黏附材料層7-1，下接觸模塊6固定于下樣品臺5上，下接觸模塊6的表層為黏附目標層6-4；黏附材料層7-1位于黏附目標層6-4的正上方；上接觸模塊7和下接觸模塊6內的導電銀膠層引出導線連接靜電計12，靜電計12導線連接電信號數據采集卡13，電信號數據采集卡13導線連接計算機終端14。
為實現對上接觸模塊7和下接觸模塊6表面電荷量變化的實時表征，分別在上接觸模塊7和下接觸模塊6對應表面夾層中引線與靜電計12相連進行雙通道的電信號采集與實時顯示，通過電信號數據采集卡13和計算機終端14相連進行電信號記錄與后續處理。具體為：上接觸模塊7和下接觸模塊6分別由絕緣膠層粘接在上樣品臺8和下樣品臺5上。上接觸模塊7由絕緣膠層、導電銅箔、導電銀膠層和黏附材料層7-1疊加而成；下接觸模塊6由絕緣膠層、導電銅箔、導電銀膠層和黏附目標層6-4疊加而成。層級結構可以保證不影響黏附材料黏附性能表現，同時進行電信號的輸出。
如圖2所示，下接觸模塊6和上接觸模塊7均為層級結構。下接觸模塊6為了實現對黏附目標層6-4電荷量變化的實時采集，在下樣品臺5表面依次疊加絕緣膠層6-1、導電銅箔6-2、導電銀膠層6-3、黏附目標層6-4，在導電銀膠層6-3處固定導線，導線與靜電計12相連實現下接觸模塊6表面電信號的實時采集，黏附目標層6-4材料為二氧化硅材料、聚四氟乙烯材料或各類金屬薄片材料。
如圖2所示，上接觸模塊7也通過在上樣品臺8表面依次疊加絕緣膠層6-1、導電銅箔6-2、導電銀膠層6-3、黏附材料層7-1以實現對黏附材料層7-1表面電荷量變化的實時采集，在導電銀膠層6-3處引線將電信號傳輸到靜電計12，實現上接觸模塊7表面電信號的實時采集，黏附材料層7-1材料為碳納米管黏附陣列材料、聚二甲基硅氧烷材料或聚酰亞胺材料。
二維移動平臺控制裝置、力信號采集裝置、電信號采集裝置、上接觸模塊7和下接觸模塊6都位于靜電屏蔽罩15內，靜電屏蔽罩15接地，用以屏蔽周圍環境電場對電信號采集造成的干擾。
如圖3所示，一種黏附材料黏附力和接觸/摩擦電同步測量方法，包括步驟如下：
步驟1：二維移動平臺2手動驅動模式下調整上樣品臺8的位置，取下上樣品臺8；
步驟2：在上樣品臺8和下樣品臺5表面分別進行裝樣；上接觸模塊7裝在上樣品臺8表面上，下接觸模塊6裝在下樣品臺5表面上；
步驟3：實驗初始化時調整二維力傳感器的位置，使其與上樣品臺8保持恰當距離以保證單次實驗時間，對靜電計12和二維力傳感器反饋的信號進行調零處理；
步驟4：調整計算機終端14為接觸黏附運動模式，分別測量黏附材料法向黏附力和切向黏附力，設定接觸速度與預壓載荷等參數，驅動二維移動平臺，使黏附材料層7-1與黏附目標層6-4進行接觸黏附過程；同時力信號采集裝置和電信號采集裝置實時同步采集黏附力和接觸對表面電荷量的變化，計算機終端14記錄力學數據和電學數據；
步驟5：實驗完畢后，在計算機終端14上對采集的力學數據和電學數據進行同步處理；
步驟6：根據步驟5內的力學數據和電學數據，分析黏附材料接觸黏附過程中靜電作用對黏附力的影響。具體為：根據測得電學信號和力學信號號，在同一時間軸中，分別繪制黏附力和電信號對應時間的變化曲線，根據二者趨勢的對應關系，分析黏附材料接觸黏附過程中靜電作用和黏附作用的相互關系。
本方法，在黏附材料接觸黏附過程中，接觸/摩擦電信號的產生與采集原理，在黏附材料層7-1與黏附目標層6-4的接觸-黏附-分離過程中，接觸導致兩個電極之間的黏附，當它們部分或完全分離時，由于材料在摩擦電序列中處于不同位置導致電子云中電子的不均衡共享，在一個接觸面的表面（例如碳納米管陣列）上將有凈正電荷，另一個接觸面表面上將有凈負電荷（例如摩擦電負性材料聚四氟乙烯）。黏附材料層7-1與黏附目標層6-4表面電荷的累積將在各自背面產生等量異號的感應電荷，因此利用導線可傳輸相應的電信號，并通過靜電計12進行采集。
本實施例可用于黏附材料黏附力和接觸/摩擦電的同步測量，適用于量化分析接觸/摩擦電對黏附力的影響。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。