一种新型摩擦系数测定装置的制作方法

本实用新型涉及一种新型摩擦系数测定装置，属于测量仪器技术领域。

背景技术：

通过收集分析常用的摩擦系数的测量方法，我们发现其存在繁琐性、单一性等弊端，常用摩擦系数的测量方法以及测量装置在实验过程中往往不能够同时进行滑动摩擦系数和静摩擦系数的准确测量。随着现代技术的飞速发展，现有摩擦系数的测量装置缺乏人工智能性。

技术实现要素：

本实用新型提供一种新型摩擦系数测定装置，解决了现有技术中摩擦系数测量的繁琐性、单一性，以及现有技术不能使用同一个装置测量滑动摩擦系数和静摩擦系数的问题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种新型摩擦系数测定装置，包括滑道、滑块、弹簧和电机，所述的滑道下部的表面设有待测材料一，与滑道接触的滑块下表面设有待测材料二，滑道上部的一侧设有刻度尺，滑道上部的另一侧设有摄像装置，滑道下部的两侧分别设有无线路由器和单片机，单片机通过无线路由器与计算机建立连接，单片机分别与无线路由器、摄像装置和电机相连，弹簧的两端与两根细线连接，一根细线与电机相连，另一根细线与滑块相连。

其中，所述的无线路由器与计算机无线连接，无线路由器与单片机及摄像装置有线连接，实现摄像装置采集的图像信息无线回传到计算机。

其中，所述的摄像装置包括高清摄像头和二维云台，二维云台用于支撑高清摄像头，二维云台上装有两个与单片机有线连接的9G舵机，从而实现使用计算机无线控制舵机调整摄像头角度的功能。

其中，所述的电机通过与单片机连接的计算机控制，电机转速通过设置在由单片机引出的电机电源线路上的滑动变阻器以及单片机跳线帽位置的改变来进行调速。

其中，所述的弹簧为螺旋弹簧。

其中，所述的电机为12V直流减速电机。

其中，所述的高清摄像头为罗技C270高清摄像头，二维云台为Arduino二维云台。

测量滑动摩擦系数：开始测量时，首先将待测摩擦系数两种材料分别取样贴于滑道表面以及滑块表面，装置整体通电建立连接，通过计算机控制端无线控制舵机调整摄像头角度，使摄像头对准滑道上的刻度尺；然后通过计算机无线控制12V直流减速电机转动，拉动带有螺旋弹簧的细线匀速拉动滑块，使滑块在斜面上匀速上升；当弹簧通过摄像头的瞬间，通过计算机软件对摄像头采集的图像进行记录，在记录结果中通过弹簧下部的刻度尺即可读出滑块匀速上升时弹簧的长度，使用牛顿第二定律即可测量两种待测材料之间的滑动摩擦系数。

测量静摩擦系数：同理，将滑道调制水平状态，通过电脑屏幕录像捕捉滑块开始运动的瞬间，寻找出弹簧整体开始运动之前伸长量最大的那一帧画面，测量出此时弹簧的最大伸长量，即可运用牛顿第二定律计算出静摩擦系数。

本实用新型的有益效果是：以一种新颖的实验理念测量出了不同材料之间的滑动摩擦系数和静摩擦系数。目前静摩擦系数测量比较困难，该方法将滑动摩擦系数以及静摩擦系数测量集成在了一套装置之上，具有精度高、测量方便、无线传输便于操作、成本低等许多常用检测方法不具备的优点，任何两种材料都可以取样使用本装置来测量滑动摩擦及静摩擦系数，具有较好的应用前景，适用于大学物理实验室，便于学生充分理解滑动摩擦以及静摩擦系数测量过程。电路中加入滑动变阻器实现了电机转动的无级变速。本技术方法通过运用经典的牛顿第二定律，将滑动摩擦系数和静摩擦系数的测量集于一种装置上，并通过图像数据的无线回传实现了物理实验的简单自动化控制。

附图说明

图1为本实用新型一种新型摩擦系数测定装置的侧视图。

图2为本实用新型一种新型摩擦系数测定装置的俯视图。

图3为本实用新型一种新型摩擦系数测定装置的结构框图。

图中：1、滑道，2、电机，3、待测材料一，4、弹簧，5、摄像装置，6、无线路由器，7、滑块，8、刻度尺，9、单片机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

如图1和2所示，一种新型摩擦系数测定装置，包括滑道、滑块、弹簧和电机，滑道下部的表面设有待测材料一，与滑道接触的滑块下表面设有待测材料二，滑道上部的一侧设有刻度尺，滑道上部的另一侧设有摄像装置，滑道下部的两侧分别设有无线路由器和单片机，单片机通过无线路由器与计算机建立连接，单片机分别与无线路由器、摄像装置和电机相连，弹簧的两端与两根细线连接，一根细线与电机相连，另一根细线与滑块相连。

无线路由器与计算机无线连接，无线路由器与单片机及摄像装置有线连接，实现摄像装置采集的图像信息无线回传到计算机。摄像装置包括高清摄像头和二维云台，二维云台用于支撑高清摄像头，二维云台上装有两个与单片机有线连接的9G舵机，从而实现使用计算机无线控制舵机调整摄像头角度的功能。电机通过与单片机连接的计算机控制，电机转速通过设置在由单片机引出的电机电源线路上的滑动变阻器以及单片机跳线帽位置的改变来进行调速。

其中，所述弹簧为螺旋弹簧；高清摄像头为罗技C270高清摄像头，二维云台为Arduino二维云台；单片机为51Duino C51单片机，电机为JGA25-370 12V直流减速电机，待测材料为A4纸面或棉布平面等，无线路由器为Robot-link无线路由器，滑块为高锰钢钢块。

如图3所示，计算机控制部分包括计算机WiFi模块，计算机WiFi模块与计算机上位机控制端相连，计算机上位机控制端与图像显示、图像记录、舵机角度控制和减速电机控制相连；装置接收部分包括装置无线路由器，无线路由器与摄像头和单片机相连，单片机通过滑动变阻器与减速电机相连，单片机和云台舵机相连，摄像头直接连接在无线路由器上面，把视频信息传回计算机，单片机用于控制电机以及舵机的电信号与数字信号的转换，滑动变阻器通过改变输入电机的电压就可以实现无级变速，同时跳线帽位置的改变可以调整单片机输出给电机3V、6V或者12V电压，改变跳线帽位置对于电机转速的改变较大，改变滑动变阻器阻值使转速改变较小，两者配合就可以实现电机转速一个比较大范围的改变。

滑动摩擦系数测量方法：使用计算机通过连接于无线路由器的单片机无线控制电机通过带有螺旋弹簧的细线匀速拉动物块于斜面匀速上升，当弹簧通过摄像头的瞬间通过计算机无线采集图像，通过弹簧下部的刻度尺即可测量物块匀速上滑时弹簧的长度，使用牛顿第二定律即可测量两种材料之间的滑动摩擦系数。

匀速拉动滑块时弹簧长度为L，弹簧原长为L′，拉动滑块时弹簧长度与弹簧原长做差值得出位移ΔL：

ΔL₁＝L-L′

其中L为物块匀速时弹簧长度，L′为弹簧原长。

以滑块为研究对象，利用牛顿第二定律得：

0＝mg sinθ+μmg cosθ-T₁

其中T₁＝KΔL₁

可得斜面的滑动摩擦系数

其中倾角θ、弹簧的劲度系数K、滑块的质量m、重力加速度g均为已知量。

因此测量出弹簧的形变量ΔL₁即可求得斜面的滑动摩擦系数。

静摩擦系数测量方法：通过电脑录像捕捉滑块开始运动的瞬间，测量出此时弹簧的最大伸长量ΔL₂，

对该临界位置运用牛顿第二定律得：

0＝mg sinθ+μmg cosθ-T₂

其中T₂＝KΔL₂

可得斜面的静摩擦系数

其中倾角θ弹簧的劲度系数K、滑块的质量m、重力加速度g均为已知量。因此测量出弹簧的形变量ΔL₂即可求得斜面的静摩擦系数。