[發明專利]一種基于石墨烯的表面摩擦力測量裝置及使用方法

有效

• 申請號: 201310090992.7
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103217243A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 白亞磊
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及流體流動測量領域，特指一種基于石墨烯的表面摩擦力的測量裝置及其測量方法，其可以解決特殊復雜場合的流體壁面摩擦力測量問題。

背景技術

表面摩擦應力測量既是一個重要的應用問題也是一個基礎的研究問題，它不但可以用于改善交通運輸工具的的性能而且可用于描繪流場中物體表面流動的特征。

測量表面摩擦應力的方法通常包括：Preston管、Stanton管、底層隔板、熱線、熱膜、激光多普勒法、表面油膜等；Preston管、Stanton管和底層隔板屬間接差壓測量法，無法實現動態測量；熱膜能夠實現動態測量，但較難實現摩擦力方向的測量；熱線法能夠實現摩擦力方向測量，但制作困難，易損壞；激光多普勒只是單點摩擦力測量，且非常昂貴；表面油膜法的優點是能夠實現全局摩擦力測量，但絕對摩擦力的量值誤差會較大，且無法實現動態摩擦力測量。

發明內容

為了避免和克服上述不足，本發明的目的是提供一種基于石墨烯的表面摩擦力測量裝置及使用方法，可以實現復雜摩擦力場的動態測量。

一種基于石墨烯的表面摩擦力測量裝置，其包括底座、圓臺形測量體、石墨烯片層和銅箔電極；所述圓臺形測量體固定在底座上，在圓臺形測量體側面均勻分布若干塊等面積的石墨烯片層，銅箔電極對應各石墨烯片層兩側弧線的邊緣設置。

作為改進，所述石墨烯片層可以分為四塊。

進一步的，所述圓臺形測量體的側面與底面夾角為45°。

此外，本發明還提供了一種基于石墨烯的表面摩擦力測量裝置的使用方法，該裝置中石墨烯片層為四塊，其使用過程包括以下步驟：

1）將表面摩擦力測量裝置放置于摩擦力標定系統內，在已知來流摩擦力大小和角度的情況下，使來流流過該裝置，產生鈍體繞流,標定出摩擦力系數C和角度系數；

2）校準出表面摩擦力測量裝置各石墨烯片層區域的系數曲線；

3）將校準后的表面摩擦力測量裝置放入待測流體中，使待測流體流過測量裝置產生鈍體繞流；測量出各石墨烯片層區域兩端電壓，依據電壓最大原則初步判斷來流所在區域；依據該區域和相鄰兩個區域的電壓大小，求出角度系數K_α和總電壓系數為K_q；再依據該區已經校準出的系數曲線，插值求出摩擦力的大小和方向。

所述步驟1）具體為：

1.1）測量各石墨烯片層區域兩端電極之間的電壓U；比較各區域的電壓大小，定義最大的電壓所在區為1區；順時針依次為2、3、4區；則各區電壓分別為U1、U2、U3、U4；

1.2）定義1區和3區所在方向為軸向，定義2區和4區所在方向為法向；?定義摩擦力方向與軸線之間角度為α角，角度系數為K_α，定義總電壓系數為K_q，所涉及的公式如下：

??；

所述步驟2）具體為：改變α角，校準出該區系數曲線，包括：K_α-α曲線、K_q-α曲線；

所述步驟3）中，把若干個表面摩擦力測量裝置按照陣列排布在待測流體中執行步驟3），可以實現全局摩擦力場的測量。

本發明通過使來流流過圓臺形測量裝置，產生鈍體繞流，通過測量鈍體表面石墨烯的物理參數，得到流體的摩擦力大小和方向。當地摩擦力τ（Pa）的大小與石墨烯片層兩端電極之間的電壓U成線性關系，關系式為，式中C為摩擦力系數，根據實驗預先標定得到。

與現有的摩擦力測量技術相比具有以下優點：可以實現全局摩擦力的動態測量，且無可動部件，結構穩定可靠，成本較低；測量范圍廣，可實現180度摩擦力方向的角測量；公式算法簡單精確。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明：

圖1?基于石墨烯的摩擦力測量裝置三維圖

圖2?基于石墨烯的摩擦力測量裝置俯視圖

圖3?基于石墨烯的摩擦力場測量裝置陣列分布圖

圖中標號名稱：1、矩形基座，2、測量裝置圓臺形頭部，3、石墨烯片層，4銅箔電極。

具體實施方式

如圖1和圖2所示，本發明所述的基于石墨烯的表面摩擦力測量裝置，包括底座1、圓臺形測量體2、石墨烯片層3和銅箔電極4；所述圓臺形測量體2固定在底座1上，在圓臺形測量體2側面均勻分布四塊塊等面積的石墨烯片層3，銅箔電極4對應各石墨烯片層3兩側弧線的邊緣設置。

本發明的使用包括以下步驟：