运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量系统及方法与流程

本发明属于用于行为、力和电量同步测量技术领域，具体涉及一种动物运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量系统及方法。

背景技术：

电是静止或移动的电荷所产生的物理现象，在大自然里，有许多人们熟知的电效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等。摩擦致电是电学研究的开始，研究表明不同材料摩擦带电的强度、带电极性不同；但接触参数（力、相对速度、接触面状态等）对摩擦致电的影响还不够了解。动物运动过程中附着器官不可避免的要与运动环境相互接触、摩擦以获得改变其运动所需的运动反力。既然接触致电自然界中一种普遍存在的现象，那么动物的附着器官在于环境相互作用的过程中是否会产生明显的接触电荷？如果确实能够产生接触电荷，这些电荷与周围环境场力作用又是否会对附着产生影响？ 这些问题仍然是未知的。

中国专利申请号为：CN200810156169.0，发明名称为“动物足-面接触反力的测试方法及系统”已经成功解决了动物运动行为和运动反向力同步测试问题。在此基础上，本发明的关键在于解决接触电荷测试及其与力学测试的同步问题。

对于接触电荷测量，通常的方法是在接触和摩擦完成后利用电荷测量装置来测量电荷。理论上只要两次测量的时间足够短，电荷散失足够小，那么测量的结果在一定程度上是可信的。然而在真实操作中这种方法是不可取的，首先，分开测量的操作极为困难；其次，两次测量的时间不可能做到足够短，时间滞后性和在测量转移过程中待测物体与空气等介质的相互作用会使待测物体上的电荷耗散，造成测量失真，误差难以确定。此外，应用最广泛的法拉第筒对上述提出的问题也是不可行的，因为法拉第筒难以用作动物运动的通道。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量系统及方法，以解决现有技术中无法对动物运动行为、运动反力和接触致电的同步测试问题。

为达到上述目的，本发明的一种运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量系统，包括：支架、安装于支架上可旋转的运动通道；运动通道内嵌了力及接触—摩擦电测量单元；力及接触—摩擦电测量单元的力学信号通过力学信号调理模块与计算机的第一信号采集端相连；力及接触—摩擦电测量单元的电信号通过数字电荷仪与计算机的第二信号采集端相连，两组信号同步；运动通道、力及接触—摩擦电测量单元完全包裹在金属屏蔽网中；

上述力及接触—摩擦电测量单元的信号与放置于运动通道正前方的高速摄像系统的信号同步，高速摄像系统与计算机的第三信号采集端相连。

优选地，上述力及接触—摩擦电测量单元呈阵列式n×m排布在运动通道上。

优选地，上述力及接触—摩擦电测量单元由高精度电阻应变式三维力传感器和固定在其顶端的电荷测量传感器组成；安装时保证电荷测量传感器的顶面和运动通道的表面齐平；根据测量要求在运动通道底部内嵌一个或多个力及接触—摩擦电测量单元。

优选地，上述力及接触—摩擦电测量单元中的电荷测量传感器由正方形的介电常数很小的电介质薄片及其表面覆盖的金属薄膜组成，分别从上层金属薄膜的下表面和下层金属薄膜的下表面引线作为信号线。

优选地，上述的电荷测量传感器在结构上既充当了电荷测量传感器，又充当了力测量系统中的承载片。

优选地，上述力及接触—摩擦电测量单元中的电荷测量传感器的上表面的金属薄膜上根据测试需要覆盖了一层几十微米厚的材料，动物运动时附着器官直接与材料接触摩擦，而不直接与金属薄膜接触。

优选地，上述的材料为一种可更换的薄膜材料。

优选地，通过计算机对高速摄像视频、力学信号和电信号进行同步采集。

本发明还提供一种运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量方法，包括步骤如下：

步骤1：开启电源进行系统初始化；

步骤2：调节运动通道以达到需要的角度；

步骤3：初始化高速摄像系统、力及接触—摩擦电测量单元；

步骤4：通过计算机接口向高速摄像系统，力及接触—摩擦电测量单元同时发出一个高电平信号，当上述三者接收到高电平信号时，开始同步采集过程；

步骤5：让动物从通道内通过后保存记录的数据；若未结束则重复步骤2，否则在计算机上查看、分析保存的数据。

优选地，上述步骤3中高速摄像系统的初始化过程：首先调节焦距达到需要的清晰度和分辨率，然后调节光源达到需要的亮度；接下来将高速摄像系统设置为连续拍摄状态。

优选地，上述步骤3中力及接触—摩擦电测量单元的初始化过程为：首先检测是否有信号输出，然后对力传感器进行标定，接下来清除由于通道转动、温度漂移因素引起的零输出，最后将力采集单元设置为连续采集状态。

优选地，上述步骤3中力及接触—摩擦电测量单元初始化过程为：首先检测信号输出是否连续，然后对电荷采集模块进行标定，最后将电荷采集设置为连续采集状态。

本发明的有益效果：

本发明将力学测量系统和电学测量系统进行了集成处理，将用于电荷测量的电荷测量传感器与测力的多维力传感器直接连接，使电荷测量传感器不仅仅作为电荷测量的一部分，还承担了力传递的作用，这种结构方式保证了接触力与接触电荷在产生时的同步性；真正实现了将力学信号与电学信号两种信号的同步采集、显示和分析；此外，还在计算机上产生触发信号，同步触发高速摄像系统、力采集系统和电荷采集系统。

附图说明

图1绘示本发明系统的结构示意图；

图2绘示本发明中力及接触—摩擦电测量单元的结构示意图；

图3绘示本发明中电荷测量传感器的结构示意图；

图4绘示本发明中对带电体电荷测量的原理图；

图5绘示本发明对接触分离电荷测量的原理图；

图6绘示本发明方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1至图3所示，本发明的一种运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量系统，包括：支架1、安装于支架1上可旋转的运动通道2；运动通道2内嵌了力及接触—摩擦电测量单元3；力及接触—摩擦电测量单元3的力学信号通过力学信号调理模块10与计算机13的第一信号采集端相连；力及接触—摩擦电测量单元3的电信号通过数字电荷仪9与计算机13的第二信号采集端相连，两组信号同步；运动通道2、力及接触—摩擦电测量单元3完全包裹在一个金属屏蔽网12中；金属屏蔽网12能够有效保护力及接触—摩擦电测量单元3测量电荷时不被周围环境电磁场干扰；

上述力及接触—摩擦电测量单元3呈阵列式n×m排布在运动通道2上；具体可选用3×8排布在运动通道2上。

上述力及接触—摩擦电测量单元3的信号与放置于运动通道2正前方的高速摄像系统11的信号同步，高速摄像系统11与计算机13的第三信号采集端相连。

上述力及接触—摩擦电测量单元3由高精度电阻应变式三维力传感器4和固定在其顶端的电荷测量传感器5组成；安装时保证电荷测量传感器5的顶面和运动通道2的表面齐平；根据测量要求在运动通道2底部内嵌一个或多个力及接触—摩擦电测量单元3。

上述的电荷测量传感器5在结构上既充当了电荷测量传感器，又充当了力测量系统中的承载片。

参照图3所示，上述力及接触—摩擦电测量单元3中的电荷测量传感器5由正方形的介电常数很小的电介质薄片6及其表面覆盖的金属薄膜7组成，分别从上层金属薄膜的下表面和下层金属薄膜的下表面引线作为信号线。在实际使用时，将从下层金属薄膜引出的信号线良好接地。

上述力及接触—摩擦电测量单元3中的电荷测量传感器5的上表面的金属薄膜上根据测试需要覆盖了一层几十微米厚的材料8，本实施例中材料8使用阻焊绿油，主要成分为丙烯酸聚合物，此外，根据实验要求更换成不同的材料，所述的材料8为一种可更换的薄膜材料，例如PDMS，聚四氟乙烯等。动物运动时附着器官直接与材料8接触摩擦，而不直接与金属薄膜7接触。

参照图4所示，当被测物体本身带有电荷并靠近电荷测量传感器5时，电荷测量传感器5两侧的金属薄膜7的上表面因静电感应而带有与物体极性相反的电荷，金属薄膜的下表面则带有与物体极性相同的电荷；而将电荷测量传感器5底面的金属薄膜接地后，该金属薄膜下表面与带电体电荷极性相同的电荷被大地中的电荷中和。通过连接电荷测量传感器5顶部金属薄膜的下表面和电荷测量传感器5底部金属薄膜的引线能够测量得到带电体的电荷。如果物体原先不带电，而是与电荷测量传感器5上表覆盖材料8相互作用后带了电荷(即接触分离电荷)，可以断定如果物体带电+Q，则覆盖材料带电为-Q（图5所示）。电荷测量传感器5两侧的金属薄膜的上表面因静电感应而带有与覆盖材料电荷极性相反的电荷，金属薄膜的下表面则带有极性相同的电荷；而将电荷测量传感器5底面的金属薄膜接地后，该金属薄膜下表面与材料8电荷极性相同的电荷被大地中的电荷中和，通过连接电荷测量传感器顶部金属薄膜下表和电荷测量传感器底部金属薄膜的引线能够测量得到材料8的电荷，该电荷的相反数等于物体带的电荷。

所述的同步测量系统通过计算机13对高速摄像视频、力学信号和电信号进行同步采集。

参照图6所示，本发明的一种动物运动行为、反力和接触—摩擦致电量同步测量方法，包括步骤如下：

步骤1：开启电源进行系统初始化；

步骤2：调节运动通道以达到需要的角度；

步骤3：初始化高速摄像系统、力及接触—摩擦电测量单元；

步骤4：通过计算机接口向高速摄像系统，力及接触—摩擦电测量单元同时发出一个高电平信号，当上述三者接收到高电平信号时，开始同步采集过程；

步骤5：让动物从通道内通过后保存记录的数据；若未结束则重复步骤2，否则在计算机上查看、分析保存的数据。

其中，上述步骤3中高速摄像系统的初始化过程：首先调节焦距达到需要的清晰度和分辨率，然后调节光源达到需要的亮度；接下来将高速摄像系统设置为连续拍摄状态。

其中，上述步骤3中力及接触—摩擦电测量单元的初始化过程为：首先检测是否有信号输出，然后对力传感器进行标定，接下来清除由于通道转动、温度漂移因素引起的零输出，最后将力采集单元设置为连续采集状态。

其中，上述步骤3中力及接触—摩擦电测量单元初始化过程为：首先检测信号输出是否连续，然后对电荷采集模块进行标定，最后将电荷采集设置为连续采集状态。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。