一种在磁场调控下测量功能表面滚动角的实验装置的制作方法

本发明属于仿生材料力学与功能化表面设计及制备技术领域，具体涉及一种在磁场调控下测量功能表面滚动角的实验装置。

背景技术：

自然界中许多生物体表面具有一些特殊的润湿功能，如水滴在荷叶上呈露珠状，而在玻璃表面铺展开来，这些润湿现象与生物表面微观结构密切相关。因此，研究并仿生这类具有特殊浸润现象的表面可为功能化表面的设计及制备提供创新源泉。

接触角和滚动角的测量是衡量功能表面润湿性程度的标准，尤其在外场作用下，功能表面的微观结构可发生非对称变形，这对接触角和滚动角的测量提出了更高的要求。现有的接触角测量仪只能测量功能比较单一的表面，而实验中外场的作用，使功能表面展现出更符合实际的情况，尤其在外加磁场的作用下，现有仪器无法展开对两个方向上滚动角的测量。因此，设计一种可在磁场调控下，测量功能表面滚动角的实验装置有很重要的科学研究意义和工程应用价值。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种在磁场调控下测量功能表面滚动角的实验装置，能够填补在磁场作用下测量功能表面在两个方向上滚动角的空白。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种在磁场调控下测量功能表面滚动角的实验装置，包括：支架组件、直柄滑块组件、旋转组件及磁铁组件；

所述支架组件用于提供所述实验装置的安装平台，为直柄滑块组件、旋转组件、旋转驱动组件及磁铁组件提供安装基座；

所述磁铁组件用于给试验件提供均匀或非均匀的磁场；

所述旋转组件用于安装试验件及带动试验件和磁铁组件在水平面的偏转运动，以测量试验件在水平面的偏转运动方向的滚动角，且所述旋转组件能够驱动所述试验件和磁铁组件同时转动或单独驱动试验件或磁铁组件转动；

所述直柄滑块组件用于带动试验件在水平面的俯仰运动，以测量试验件在水平面的俯仰方向的滚动角。

进一步的，所述支架组件包括：底座、支架座、支撑块、左支架、右支架、长立杆及短立杆；

所述支架座放置于固定在底座上的支撑块上，左支架和右支架沿竖直方向平行固定在支架座上表面左右两端；长立杆的底端固定在底座上，短立杆的底端固定在支架座上，长立杆的顶端与短立杆的顶端通过销轴销接。

进一步的，所述直柄滑块组件包括：滑块、滑道、第一丝杠、丝杠驱动机构、驱动块、方块、第一直销、圆头直柄、u型块及第二直销；

所述滑道固定在底座上，滑块套在滑道上，与滑道滑动配合，可沿滑道的长度方向运动；驱动块固定在滑块上；方块固定在滑道的末端；第一丝杠的一端穿过驱动块后，与安装在底座上的丝杠驱动机构连接，丝杠驱动机构用于驱动第一丝杠转动；且第一丝杠与驱动块中心孔的内螺纹螺纹配合，第一丝杠的另一端通过轴承安装在方块内；所述驱动块的顶面加工有半圆槽；圆头直柄的一端通过第一直销安装在半圆槽内，另一端通过第二直销与倒置的u型块的两个竖直部分销接；u型块的水平部分上表面与支架座的下表面固定连接。

进一步的，所述旋转组件包括：内杆、套筒、凸形块、第一螺杆、第二螺杆及第三螺杆；

所述套筒的两端分别通过轴承安装在左支架和右支架上，并分别伸出于左支架和右支架；内杆通过轴承安装在套筒内，且内杆的两端分别伸出于套筒的两端；其中，内杆的左支架所在端端部设有用于安装试验件的矩形槽，试验件通过载玻片安装在内杆的矩形槽上；

所述凸形块内分别加工有用于与套筒及内杆配合的阶梯孔，凸形块穿过套筒和内杆的右支架所在端端部后，固定在右支架的环形凸台上；

所述第一螺杆穿过凸形块及右支架的环形凸台的圆周面后，与套筒的外圆周面相对，且第一螺杆与右支架的环形凸台螺纹连接，当拧紧第一螺杆时，第一螺杆的末端抵触在套筒的外圆周面上，将套筒与凸形块连接；

所述第二螺杆穿过凸形块的圆周面后，与伸出于套筒端部的内杆的外圆周面相对，且第二螺杆与凸形块螺纹连接，当拧紧第二螺杆时，第二螺杆的末端抵触在内杆的外圆周面上，将内杆与凸形块连接；

所述第三螺杆穿过套筒的圆周面后，与套筒内部的内杆的外圆周面相对，且第三螺杆与套筒螺纹连接，当拧紧第三螺杆时，第三螺杆的末端抵触在内杆的外圆周面上，将内杆与套筒连接。

进一步的，还包括旋转驱动组件，所述旋转驱动组件包括：第一齿轮、第二齿轮及齿轮驱动机构；

所述齿轮驱动机构固定在支架座上，齿轮驱动机构的输出轴安装有第二齿轮，齿轮驱动机构用于驱动第二齿轮转动；所述第一齿轮与套筒同轴固连，并与第二齿轮啮合。

进一步的，所述磁铁组件包括：支撑板、磁铁槽、t型块及第二丝杠；

所述支撑板的一个表面加工有t型滑道，另一个表面设有环形凸台，其侧面设有刻度，其中部加工有与所述环形凸台同轴的圆孔；支撑板的环形凸台与在伸出于左支架的套筒端部固连，且内杆的矩形槽所在端端部穿过支撑板的圆孔；磁铁槽通过t型块安装在支撑板的t型滑道中；磁铁槽用于安装磁铁；

若使试验件处于均匀磁场中，采用两个平行的磁铁槽，两个磁铁槽之间通过两个第二丝杠连接，两个磁铁槽之间的距离通过支撑板上的刻度确定；其中，试验件位于两个磁铁的正中间；

若使试验件处于非均匀磁场中，采用一个磁铁槽固定在支撑板，试验件位于一个磁铁的正上方或正下方。

进一步的，所述支架座绕长立杆和短立杆销接处的销轴轴线转动的角度通过第一角度盘和第一指针读取；第一角度盘位于长立杆与短立杆的相对面之间，并与短立杆固连，且第一角度盘与长立杆和短立杆销接处的销轴同轴；第一指针固定在长立杆的顶面，并与第一角度盘的表面贴合，用于指示第一角度盘转动角度。

进一步的，所述套筒绕其轴线转动的角度通过第二角度盘及第二指针读取，所述第二角度盘同轴套装在套筒外部，并固定在右支架上，第二指针固定在套筒的外圆周面上，并与第二角度盘的表面贴合，用于指示套筒的转动角度。

进一步的，还包括螺母，每个第二丝杠上螺纹连接有两个螺母，两个螺母分别与两个磁铁槽的表面相接触，螺母用于对两个磁铁槽进行限位。

进一步的，还包括螺纹立杆，所述底座通过两个以上螺纹立杆支撑在地面上，螺纹立杆用于调整底座上表面的水平状态。

有益效果：(1)本发明可在均匀和非均匀两种磁场的作用下，测量试验件两个互相垂直方向的滚动角，可用于对非对称微结构表面的研究；

(2)本发明通过更换磁铁或调整磁铁与试验件的距离，可以调节磁场强度的大小；

(3)本发明通过在实验装置旁安装高速摄像机或高倍显微镜，可以实时观察试验件的变化情况并记录实验过程；

(4)本发明的部件材料使用不锈钢材料，不会对磁铁的磁场产生影响。

附图说明

图1～3为本发明的结构组成图；

图4为本发明的直柄滑块组件的结构爆炸图；

图5为本发明的右支架的结构图；

图6为本发明的旋转组件的结构爆炸图；

图7为本发明的磁铁槽和t型块的结构图；

图8～9为本发明的支撑板结构图；

其中，1-底座，8-滑块，10-滑道，12-第一丝杠，13-驱动块，15-方块，19-半圆槽，20-第一直销，21-圆头直柄，23-u型块，24-第二直销，26-长立杆，29-第二指针，30-第一指针，32-螺纹立杆，33-丝杠驱动机构，37-支撑块，39-支架座，51-短立杆，54-左支架，58-右支架，59-环形凸台，61-第二角度盘，62-第一角度盘，63-第一齿轮，65-套筒，66-第三螺杆，69-矩形槽，70-内杆，71-第一螺杆，73-凸形块，77-第二螺杆，79-第二齿轮，80-齿轮驱动机构，83-固定块，88-磁铁槽，90-t型块，93-螺母，94-第二丝杠，96-支撑板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种在磁场调控下测量功能表面滚动角的实验装置，参见附图1-3，包括：支架组件、直柄滑块组件、旋转组件、旋转驱动组件及磁铁组件；

所述支架组件包括：底座1、螺纹立杆32、支架座39、支撑块37、左支架54、右支架58、长立杆26、短立杆51、第一角度盘62及第一指针30；

所述底座1通过四个螺纹立杆32支撑在地面上，螺纹立杆32用于调整底座1上表面的水平状态且易于底座1的移动；所述支架座39通过支撑块37安装在底座1上，其中，支撑块37固连在底座1上，支架座39与支撑块37为可拆卸连接；左支架54和右支架58沿竖直方向平行固定在支架座39上表面左右两端；长立杆26的底端固定在底座1上，短立杆51的底端固定在支架座39上，长立杆26的顶端与短立杆51的顶端通过销轴销接；第一角度盘62位于长立杆26与短立杆51的相对面之间，并与短立杆51固连，且第一角度盘62与所述销轴同轴；第一指针30固定在长立杆26的顶面，并与第一角度盘62的表面贴合，用于指示第一角度盘62转动角度；其中，支架座39、左支架54及右支架58上均加工有减重孔；

参见附图4，所述直柄滑块组件包括：滑块8、滑道10、第一丝杠12、丝杠驱动机构33、驱动块13、方块15、第一直销20、圆头直柄21、u型块23及第二直销24；

所述滑道10通过螺钉固定在底座1上，滑块8套在滑道10上，与滑道10滑动配合，可沿滑道10的长度方向运动；驱动块13通过螺钉固定在滑块8上；方块15通过螺钉固定在滑道10的末端；第一丝杠12的一端穿过驱动块13后，与安装在底座1上的丝杠驱动机构33连接，丝杠驱动机构33用于驱动第一丝杠12转动；且第一丝杠12与驱动块13中心孔的内螺纹螺纹配合，第一丝杠12的另一端通过轴承安装在方块15内；所述驱动块13的顶面加工有半圆槽19；圆头直柄21的一端通过第一直销20安装在半圆槽19内，即圆头直柄21与驱动块13销接，圆头直柄21可绕第一直销20转动；圆头直柄21的另一端通过第二直销24与倒置的u型块23的两个竖直部分销接；u型块23的水平部分上表面与支架座39的下表面固定连接；

当丝杠驱动机构33驱动第一丝杠12转动，进而带动驱动块13、滑块8及圆头直柄21沿滑道10运动时，提前将支架座39与支撑块37解除连接，支架座39在圆头直柄21的推力作用下，绕长立杆26与短立杆51销接处的销轴轴线转动，所述转动的角度通过第一角度盘62和第一指针30表示；

参见附图6，所述旋转组件包括：内杆70、套筒65、凸形块73、第一螺杆71、第二螺杆77、第三螺杆66、第二角度盘61及第二指针29；

所述套筒65的两端分别通过轴承安装在左支架54和右支架58上，并分别伸出于左支架54和右支架58；内杆70通过轴承安装在套筒65内，且内杆70的两端分别伸出于套筒65的两端；其中，内杆70的左支架54所在端端部设有用于安装试验件的矩形槽69，试验件通过载玻片安装在内杆70的矩形槽69上，且内杆70轴线与长立杆26与短立杆51销接处的销轴轴线等高，试验件位于内杆70轴线与所述销轴轴线的交汇处；所述凸形块73内分别加工有用于与套筒65及内杆70配合的阶梯孔，凸形块73穿过套筒65和内杆70的右支架58所在端端部后，固定在右支架58的环形凸台59上，参见附图5；第一螺杆71穿过凸形块73的圆周面后，与套筒65的外圆周面相对，且第一螺杆71穿过凸形块73的圆周面后，与右支架58的环形凸台59螺纹连接，当拧紧第一螺杆71时，第一螺杆71的末端抵触在套筒65的外圆周面上，将套筒65与右支架58上的环形凸台59连接，防止套筒65转动；第二螺杆77穿过凸形块73的圆周面后，与伸出于套筒65端部的内杆70的外圆周面相对，且第二螺杆77与凸形块73螺纹连接，当拧紧第二螺杆77时，第二螺杆77的末端抵触在内杆70的外圆周面上，将内杆70与凸形块73连接，防止内杆70转动；第三螺杆66穿过套筒65的圆周面后，与套筒65内部的内杆70的外圆周面相对，且第三螺杆66与套筒65螺纹连接，当拧紧第三螺杆66时，第三螺杆66的末端抵触在内杆70的外圆周面上，将内杆70与套筒65连接，可以进行同步转动；所述第二角度盘61同轴套装在套筒65外部，并固定在右支架58上，第二指针29固定在套筒65的外圆周面上，并与第二角度盘61的表面贴合，用于指示套筒65的转动角度；

所述旋转驱动组件包括：第一齿轮63、第二齿轮79、齿轮驱动机构80及固定块83；

所述齿轮驱动机构80通过固定块83固定在支架座39上，齿轮驱动机构80的输出轴安装有第二齿轮79，齿轮驱动机构80用于驱动第二齿轮79转动；所述第一齿轮63与套筒65同轴固连，并与第二齿轮79啮合；

所述磁铁组件包括：支撑板96、磁铁槽88、t型块90、第二丝杠94及螺母93；

参见附图8-9，所述支撑板96的一个表面加工有t型滑道，另一个表面设有环形凸台，其侧面设有刻度，其中部加工有与所述环形凸台同轴的圆孔；支撑板96的环形凸台与伸出于左支架54的套筒65端部固连，且内杆70的矩形槽69所在端端部穿过支撑板96的圆孔；参见附图7，磁铁槽88通过t型块90安装在支撑板96的t型滑道中；磁铁槽88用于安装磁铁；

若使试验件处于均匀磁场中，采用两个平行的磁铁槽88，两个磁铁槽88之间通过两个第二丝杠94连接，且每个第二丝杠94上螺纹连接有两个螺母93，两个螺母93分别与两个磁铁槽88的表面相接触，螺母93用于对两个磁铁槽88进行限位，防止两个磁铁槽88内的磁铁因磁力过大而吸引到一起；两个磁铁槽88之间的距离通过支撑板96上的刻度确定；其中，试验件位于两个磁铁的正中间；

若使试验件处于非均匀磁场中，采用一个磁铁槽88固定在支撑板96，试验件位于一个磁铁的正上方或正下方；

其中，在所述实验装置旁安装有高速摄像机或高倍显微镜；

所述实验装置的部件材料采用不锈钢材料；

所述丝杠驱动机构33和齿轮驱动机构80结构相同；

该实验装置测量功能表面滚动角的方法，具体步骤如下：(以使试验件处于均匀磁场中为例)

第一步，通过调节螺纹立杆32使底座1水平；

第二步，调节两个磁铁槽88在支撑板96上的位置，使两个磁铁槽88的距离为设定值；并调节第二丝杠94上螺母93的位置，使螺母93分别与磁铁槽88相接触；同时调节两个磁铁槽88水平；

第三步，将两个磁铁分别限位在磁铁槽88中，并保证磁铁不能移动或掉落，且两个磁铁相互吸引；将贴有试验件的载玻片安装在内杆70端部的矩形槽69中，使贴有试验件的载玻片水平，同时使验试件位于两个磁铁的正中间；

第四步，拧紧第二螺杆77，使内杆70与凸形块73连接，防止内杆70转动，即防止试验件转动；

第五步，通过齿轮驱动机构80带动第二齿轮79转动，进而带动与其啮合的第一齿轮63转动，第一齿轮63带动套筒65及两个磁铁槽88同步转动设定角度，所述角度通过第二角度盘61读取，为α1，即两个磁铁产生的磁场相对于水平放置的验试件的角度为α1；

第六步，拧紧第一螺杆71，使套筒65与右支架58的环形凸台59连接，防止套筒65转动，即防止两个磁铁转动，使两个磁铁保持其位置固定不动；

第七步，拧紧第三螺杆66，使内杆70和套筒65成为一体，可同步转动；

第八步，在验试件的表面放置一滴水后，松开第二螺杆77和第一螺杆71；

第九步，通过齿轮驱动机构80带动套筒65和内杆70一起转动(由于验试件需要在受磁场力的情况下转动，所以应该先让磁场和试验件呈一定角度后，试验件和磁场再同时转动)，直到验试件表面上的一滴水滚动时，套筒65和内杆70停止转动，此时，通过第二角度盘61读取套筒65和内杆70同步转动的角度，为α2；

第十步，计算得出试验件在绕内杆70转动方向的滚动角(即在水平面偏转的滚动角)α＝α2-α1；

第十一步，通过齿轮驱动机构80带动套筒65和内杆70一起反向转动α2，此时，验试件处于水平状态，然后再拧紧第一螺杆71；

第十二步，将支架座39与支撑块37解除连接(支撑块37用于支撑水平放置的支架座39，防止支架座39将重量承载在直柄滑块组件上，将直柄滑块组件压坏)；

第十三步，再次在验试件的表面放置一滴水后，通过丝杠驱动机构33驱动第一丝杠12转动，进而带动驱动块13、滑块8及圆头直柄21沿滑道10运动时，支架座39在圆头直柄21的推力作用下，绕长立杆26与短立杆51销接处的销轴轴线转动，直到验试件表面上的一滴水滚动时，丝杠驱动机构33停止工作，此时，支架座39转动的角度通过第一角度盘62读取，为β，β即为试验件在绕长立杆26与短立杆51销接处的销轴轴线转动方向的滚动角(即在水平面俯仰的滚动角)；

由此可测得，在均匀磁场作用下，试验件在两个互相垂直的方向上的滚动角α和β；而且，将两个磁铁替换为一个磁铁，重复上述步骤，即可测得在非均匀磁场作用下，试验件在两个互相垂直的方向上的滚动角。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。