專利名稱：一種固體材料表面粘附力測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于力學測試儀器領(lǐng)域，特別涉及一種固體材料表面粘附力測量方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空氣中微顆粒無處不在，充斥于人類活動的各種空間，微顆粒常常懸浮于空氣中，并會粘附于各種物體表面，不同物體表面的結(jié)構(gòu)、化學成份、物理特性各異，如何有效測量不同材料表面對微顆粒的粘附能力的大小，一直沒有專門的檢測儀器和規(guī)范程序。目前，獲得物體間粘附力數(shù)值往往是通過探針原子力顯微鏡(AFM)、離心力測量類儀器得到。眾所周知，探針原子力顯微鏡購置、使用成本高，操作技術(shù)難度大，專業(yè)性強，測量對象的選擇具有局限性，往往需要根據(jù)不同測試目的、測試對象進行局部結(jié)構(gòu)調(diào)整來實現(xiàn)，作為精密儀器傳感器靈敏、操作復雜易在使用過程中發(fā)生損壞。而對目前力學類測量儀器來說，由于微顆粒與固體表面的粘附力很微弱，通常采用微、納米力學來衡量粘附力大小，因此對于普通力學測量儀器來說存在測量精度差、操作困難等問題，需要針對性的開發(fā)出一種簡單易用、使用成本低、可靠性較好的測量方法與測試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種固體材料表面粘附力測量方法及系統(tǒng)，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，簡單且準確的測量固體材料表面粘附力。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種固體材料表面粘附力測量方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1:設置一個用于固定待測固體材料的測試水平支架(4)和一個顆粒容器
(10),并將測試水平支架(4)和顆粒容器(10)調(diào)整為水平狀態(tài)；步驟2:將待測固體材料固定于測試水平支架(4)下表面；步驟3:選取直徑不同的測試用標準微顆粒置于顆粒容器(10)，其中，標準微顆粒粒徑范圍是0.1 100 μ m，密度范圍是1.0 10X103kg/m3 ；步驟4:調(diào)節(jié)測試水平支架(4)使待測固體材料表面與顆粒容器中的標準微顆粒發(fā)生直接接觸后，向上平移測試水平支架直至與顆粒容器中的標準微顆粒分離開，觀測待測固體材料表面所能粘附的最大標準微顆粒粒徑；步驟5:選取粒徑與步驟5中得到的最大標準顆粒粒徑相差在IOym內(nèi)的各種標準微顆粒，替代步驟3中的標準微顆粒，裝入顆粒容器中，重復步驟5，直至待測固體材料表面不能粘附更大粒徑的標準微顆粒時，得到待測固體材料表面所能粘附的最大標準微顆粒粒徑d ；步驟6:計算待測固體材料表面粘附力F:
冗(PF = ^-(P1-P0)g
O
其中，P ^為空氣實際密度，P !為標準微顆粒密度，d為標準微顆粒粒徑，g為重力加速度。所述標準顆粒粒徑是利用攝像頭拍攝粘附了標準微顆粒的待測固體材料表面，對采集的圖像利用現(xiàn)有技術(shù)中的圖像分析軟件進行分析與計算得到。所述攝像頭為100 300萬像素的彩色攝像頭。所述圖像分析軟件為北京泰克儀器的顯微電腦圖像分析系統(tǒng)、上海中恒儀器的20IA-M顯微圖像分析系統(tǒng)，或北京嘉恒中自的0K_IPAS通用圖像處理分析系統(tǒng)中的一種。一種基于上述方法的固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，包括測試水平支架(4)、螺桿
I(2)、螺桿II (3)、水平底座(9)、顆粒容器(10)、攝像頭I (7)、攝像頭II (8)、溫度傳感器
(11)、濕度傳感器(12)、氣壓傳感器(13)、計算機(14)及圖像采集與分析單元(15);螺桿I (2)豎直固定于水平底座(9)上，測試水平支架(4)吊裝在螺桿II (3)上，調(diào)節(jié)螺桿II (3)帶動測試水平支架(4)沿水平方向移動；螺桿11 (3)安裝在螺桿I (2)上，調(diào)節(jié)螺桿I (2)使得螺桿II (3)帶動測試水平支架(4)沿豎直方向平移；顆粒容器(10)設置于水平底座(9)上，位于測試水平支架下方；攝像頭I (7)水平設置于水平底座(9)上，位于顆粒容器的一側(cè)，攝像頭II (8)豎直設置于水平底座(9)上，位于顆粒容器的另一側(cè)；攝像頭I (7)用于實時觀測待測固體材料與標準微顆粒的接觸情況，攝像頭II
(8)用于采集待測固體 表面粘附了標準微顆粒的圖片；攝像頭I (7)、攝像頭II (8)、溫度傳感器(11)、濕度傳感器(12)、氣壓傳感器(13)及攝像頭圖像采集與分析單元(15)均與計算機(14)相連。該系統(tǒng)包括可調(diào)支架I (18),至少包含兩個,均勻設置在水平底座(9)的底部,所述水平底座(9)上設有水準儀I (16)。該系統(tǒng)包括可調(diào)支架II (19)，至少包含兩個，設置于水平底座(9)上，均勻分布于顆粒容器(10)的下方，所述顆粒容器底端設有水準儀II (17)。所述的測試水平支架(4)上設有水準儀III(20)。該系統(tǒng)包括封閉式操作柜，溫度傳感器(11)、濕度傳感器(12)及氣壓傳感器(13)安裝于封閉式操作柜壁上，螺桿I (2)、螺桿II (3)、水平底座(9)、顆粒容器(10)、攝像頭I
(7)、攝像頭II (8)、水平底座(9)、水準儀I (16)、水準儀II (17)、水準儀111(20)、可調(diào)支架
I(18)及可調(diào)支架II (19)均位于封閉式操作柜中；所述封閉式操作柜采用透明玻璃制成。所述空氣實際密度采用經(jīng)驗公式進行計算:
P/ 0 = 3.45 —式中:P為空氣壓力，從氣壓傳感器獲得，單位為KPa，T為空氣絕對溫度，從溫度傳感器獲得，單位為K。本方案中所述螺桿為精密螺桿，采用研磨級滾珠絲桿與精密直線導軌配合，滾珠絲桿精度應達到C3級以上，通過手動調(diào)節(jié)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，帶動滑動塊在直線導軌上進行平穩(wěn)、緩慢移動。有益效果
本發(fā)明提供了一種固體材料表面粘附力測量方法及系統(tǒng)，利用固體材料表面與微顆粒粘附作用力的平衡原理，采用顯微圖像分析軟件獲得相關(guān)測試參數(shù)，進而獲得固體材料表面粘附力大小，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、具有操作容易、可靠性好等優(yōu)點，能夠滿足固體材料表面粘附力大小的測量要求。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的測量方法原理示意圖；圖3為本發(fā)明的水平底座俯視示意圖；圖4為本發(fā)明的測試水平支架結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖(a)為測試水平支架主視圖，圖(b)為測試水平支架上水準儀部分的俯視圖；圖5為本發(fā)明的封閉式操作柜示意圖；圖6為螺桿的結(jié)構(gòu)設計示意圖；圖7為螺桿I的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為螺桿II的結(jié)構(gòu)示意圖；標號說明:1 一封閉式操作柜，2 —螺桿I，3 —螺桿11，4 一測試水平支架，5 —待測試固體材料，6 一標準微顆粒，7 一攝像頭I，8 一攝像頭II，9 一水平底座，10 一顆粒容器，11 一溫度傳感器，12 一濕度傳感器，13 一氣壓傳感器，14 一計算機，15 一圖像采集與分析單元，16 一水準儀I，17 —水準儀II，18 一可調(diào)支架I，19 一可調(diào)支架II，20 一水準儀III，21 —可調(diào)固定端，22 —固定或粘合劑，23 —開啟門，24 一傳感器接口，25 —電纜口，26 —固定端I，27 —滑動塊I，28 —滾珠絲桿I，29 —直線導軌I，30 —滑動塊II，31 —直線導軌II，32 一固定端II，33 一滾珠絲桿II。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。如圖1、圖3和圖4所示，一種固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，包括測試水平支架
4、螺桿I 2、螺桿II 3、水平底座9、顆粒容器10、攝像頭I 7、攝像頭II 8、溫度傳感器11、濕度傳感器12、氣壓傳感器13、計算機14及攝像頭圖像采集與分析單元15 ；螺桿I 2豎直固定于水平底座9上，測試水平支架4吊裝在螺桿II 3上，調(diào)節(jié)螺桿
II3帶動測試水平支架4沿水平方向移動；螺桿11 3安裝在螺桿I 2，調(diào)節(jié)螺桿I 2使得螺桿II 3帶動測試水平支架4沿豎直方向平移；顆粒容器10設置于水平底座9上，位于測試水平支架下方；攝像頭I 7水平設置于水平底座9上，位于顆粒容器的一側(cè)，攝像頭II 8豎直設置于水平底座9上，位于顆粒容器的另一側(cè)；攝像頭I 7用于實時觀測待測固體材料與標準微顆粒的接觸情況，攝像頭II 8用于采集待測固體表面粘附了標準微顆粒的圖片；攝像頭I 7、攝像頭II 8、溫度傳感器11、濕度傳感器12、氣壓傳感器13及攝像頭圖像采集與分析單元15均與計算機14相連。本方案中所述螺桿為精密螺桿，采用研磨級滾珠絲桿與精密直線導軌配合，滾珠絲桿精度應達到C3級以上，通過手動調(diào)節(jié)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，帶動滑動塊在直線導軌上進行平穩(wěn)、緩慢移動，螺桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖6、圖7及圖8所示。如圖5所示為封閉式操作柜1，溫度傳感器11、濕度傳感器12及氣壓傳感器13安裝于封閉式操作柜壁上，螺桿I 2、螺桿II 3、水平底座9、顆粒容器10、攝像頭I 7、攝像頭
II8、水平底座9、水準儀I 16、水準儀II 17、水準儀III20、可調(diào)支架I 18及可調(diào)支架II (19)均位于封閉式操作柜中。水平底座9、測試支架4及顆粒容器10上分別均設有水準儀I 16、水準儀II 17、水準儀III 20，通過這三個水準儀形成三個水平面；所述攝像頭為北京嘉恒中自的0K_SC3010攝像頭，所述圖像分析單元選用北京泰克儀器的顯微電腦圖像分析系統(tǒng)。所述封閉式操作柜I由透明玻璃制成，其形狀為長方體或正方體，長度L為40 80cm,寬度W為30 60cm，高度H為40 60cm，在右側(cè)壁或后側(cè)壁設置傳感器、電纜及數(shù)
據(jù)線端口。如圖2所示，為本發(fā)明的本發(fā)明的測量方法原理示意圖，通過水平支架4將待測固體材料固定于水平支架下表面，通過觀測待測固體材料表面所能粘附最大質(zhì)量微顆粒，實現(xiàn)在空氣中形成力的平衡，從而根據(jù)公式(I)計算出固體表面最大粘附力數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種固體材料表面粘附力測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:設置一個用于固定待測固體材料的測試水平支架(4)和一個顆粒容器(10)，并將測試水平支架(4)和顆粒容器(10)調(diào)整為水平狀態(tài)； 步驟2:將待測固體材料固定于測試水平支架(4)下表面； 步驟3:選取直徑不同的測試用標準微顆粒置于顆粒容器(10)，其中，標準微顆粒粒徑范圍是0.1 100 μ m，密度范圍是1.0 10X103kg/m3 ； 步驟4:調(diào)節(jié)測試水平支架(4)使待測固體材料表面與顆粒容器中的標準微顆粒發(fā)生直接接觸后，向上平移測試水平支架直至與顆粒容器中的標準微顆粒分離開，觀測待測固體材料表面所能粘附的最大標準微顆粒粒徑； 步驟5:選取粒徑與步驟5中得到的最大標準顆粒粒徑相差在IOym內(nèi)的各種標準微顆粒，替代步驟3中的標準微顆粒，裝入顆粒容器中，重復步驟5，直至待測固體材料表面不能粘附更大粒徑的標準微顆粒時，得到待測固體材料表面所能粘附的最大標準微顆粒粒徑d ； 步驟6:計算待測固體材料表面粘附力F:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體材料表面粘附力測量方法，其特征在于，所述標準顆粒粒徑是利用攝像頭拍攝粘附了標準微顆粒的待測固體材料表面，對采集的圖像利用現(xiàn)有技術(shù)中的圖像分析軟件進行分析與計算得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體材料表面粘附力測量方法，其特征在于，所述攝像頭為100 300萬像素的彩色攝像頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體材料表面粘附力測量方法，其特征在于，所述圖像分析軟件為北京泰克儀器的顯微電腦圖像分析系統(tǒng)、上海中恒儀器的201A-M顯微圖像分析系統(tǒng)，或北京嘉恒中自的OK_IPAS通用圖像處理分析系統(tǒng)中的一種。
5.一種基于權(quán)利要求3或4所述方法的固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，其特征在于，包括測試水平支架(4)、螺桿I (2)、螺桿II (3)、水平底座(9)、顆粒容器(10)、攝像頭I (7)、攝像頭II (8)、溫度傳感器(11)、濕度傳感器(12)、氣壓傳感器(13)、計算機(14)及圖像采集與分析單元(15)； 螺桿I (2)豎直固定于水平底座(9)上，測試水平支架(4)吊裝在螺桿II (3)上，調(diào)節(jié)螺桿II (3)帶動測試水平支架(4)沿水平方向移動；螺桿11 (3)安裝在螺桿I (2)上，調(diào)節(jié)螺桿I (2)使得螺桿II (3)帶動測試水平支架(4)沿豎直方向平移； 顆粒容器(10)設置于水平底座(9)上，位于測試水平支架下方；攝像頭I (7)水平設置于水平底座(9)上，位于顆粒容器的一側(cè)，攝像頭II (8)豎直設置于水平底座(9)上，位于顆粒容器的另一側(cè)； 攝像頭I (7)用于實時觀測待測固體材料與標準微顆粒的接觸情況，攝像頭II (8)用于采集待測固體表面粘附了標準微顆粒的圖片； 攝像頭I (7)、攝像頭II (8)、溫度傳感器(11)、濕度傳感器(12)、氣壓傳感器(13)及攝像頭圖像采集與分析單元(15)均與計算機(14)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，其特征在于，至少包含兩個可調(diào)支架I (18)，均勻設置在水平底座(9)的底部，所述水平底座(9)上設有水準儀I(16)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，其特征在于，至少包含兩個可調(diào)支架II (19)，設置于水平底座(9)上，均勻分布于顆粒容器(10)的下方，所述顆粒容器底端設有水準儀II (17)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的測試水平支架(4)上設有水準儀III(20)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項所述的固體材料表面粘附力測量系統(tǒng)，其特征在于，包括封閉式操作柜，溫度傳感器(11)、濕度傳感器(12)及氣壓傳感器(13)安裝于封閉式操作柜壁上，螺桿I (2)、螺桿II (3)、水平底座(9)、顆粒容器(10)、攝像頭I (7)、攝像頭II (8)、水平底座(9)、水準儀I (16)、水準儀II (17)、水準儀111(20)、可調(diào)支架I (18)及可調(diào)支架11(19)均位于封閉式操作柜中； 所述封閉式操作柜采用 透明玻璃制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體材料表面粘附力測量方法及系統(tǒng)，利用固體材料表面與微顆粒粘附作用力的平衡原理，采用圖像分析軟件獲得標準微顆粒粒徑，進而獲得固體材料表面粘附力大小，該系統(tǒng)包括測試水平支架(4)、螺桿Ⅰ(2)、螺桿Ⅱ(3)、水平底座(9)、顆粒容器(10)、攝像頭Ⅰ(7)、攝像頭Ⅱ(8)、溫度傳感器(11)、濕度傳感器(12)、氣壓傳感器(13)、計算機(14)及圖像采集與分析單元(15)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、具有操作容易、可靠性好等優(yōu)點，能夠滿足固體材料表面粘附力大小的測量要求。
文檔編號G01N19/04GK103163069SQ20131005569
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21日
發(fā)明者李明, 吳超, 李孜軍, 劉琛, 徐佩 申請人:中南大學