虚拟仪器JKR测能仪开发与测试

(华东理工大学信息科学与工程学院1，上海 200237；华东理工大学化学工程联合国家重点实验室2，上海 200237)

0 引言

目前，弹性材料(如硅胶、水凝胶、橡胶等)被广泛用于人们的日常生活中。在不同配方和工艺下，即使是同种弹性材料，其具有的性质也会呈现较大差别。因此，对于这些材料的合成与研究是许多学者比较感兴趣的研究方向。

一般来说，对于两个弹性体在外力作用下的接触过程，可以使用Hertz的弹性接触理论进行分析[1]。但是在实际情况中，有些弹性材料的表面具有粘着效应，而Hertz的理论并没有考虑粘着效应对材料接触过程的影响。John，Kendall和Roberts(JKR)在Hertz理论的基础上，考虑表面力作用对固体弹性形变的影响，认为粘着能会在表面发生接触的圆形区域内产生一定的作用，据此修正Hertz接触理论[2]。

虚拟仪器技术是正在兴起的一种仪器开发技术，代表了当前测试仪器的发展方向[3]。它将计算机硬件、软件和总线技术与测试技术、仪器技术等相结合，使得仪器既具有传统专业化的功能，又能够充分利用计算机智能[4-6]。利用该技术可以很好地实现JKR测能仪的开发。

1 仪器的构成与工作原理

1.1 JKR理论简介

在JKR接触过程中，弹性半球以一定压力与被测材料接触，产生相对位移以及接触半径，由此得到相应的粘着接触理论如下[7-8]：

(1)

式中：G为被测材料的粘着能释放速率；K为等效弹性常数；P为压力值；R为弹性半球半径；a为接触半径。

在接触过程中，压力与位移会形成一条封闭的粘着能释放曲线。对于JKR接触试验而言，只要得到接触半径a、压力P和相对位移δ，就可以求得该种材料的粘着能。

1.2 仪器硬件结构

JKR测能仪需要模拟JKR接触过程。在此过程中需要测量的试验参数有接触半径a、压力P和相对位移δ，同时还需要绘制压力位移实时关系曲线。JKR测能仪的硬件部分利用步进电机+滚珠丝杠的直线传动装置实现JKR粘着接触过程，使用传感器获得压力值和相对位移值。由于直接测量接触半径存在一定的困难，所以采用间接测量的方法，即通过测量显微镜拍摄的接触面照片分析接触半径。根据硬件各个功能的设计思路，JKR测能仪物理结构如图1所示。

图1 JKR测能仪物理结构

电机带动弹性半球与被测材料接触。被测材料放置于载玻片上，可以减小重力对材料表面形状产生的影响。同时，在电机上安装支架，与位移传感器接触，这样位移传感器便可以实时读取电机的位移值。载玻片是透明的，被测材料具有较好的通透性，将测量显微镜安置在载玻片下方，可以很好地观测和拍摄接触面。利用分光镜反射接触面，使测量显微镜横置，从而降低整台仪器的高度，避免重心过高造成仪器的不稳定。

1.3 测能仪软件系统

JKR测能仪软件流程如图2所示。

图2 软件流程

Microsoft VC++6.0是微软公司开发的面向对象的可视化集成编程系统。它能够自动生成程序的框架，对于类的管理方便灵活，代码编写和界面设计集成交互操作[9]，是虚拟仪器中软件开发常用的开发平台之一。所以JKR测能仪以VC++6.0作为软件开发平台，实现电机的驱动、数据的采集、数据滤波与保存、曲线绘制、接触面的拍摄等功能。

1.3.1 用户界面

使用VC++6.0中的控件可以很方便地实现用户操作界面的搭建。试验人员通过界面可以方便地完成初始化参数的设置、电机控制、试验结果显示、数据的保存等操作。需要设置的初始化参数有：运行模式(分为压力控制和位移控制两种)、手动运行速度、自动运行速度、循环次数、下降位移(对应位移控制模式)和最大压力(对应压力控制模式)。

1.3.2 软件滤波

通过串口对传感器进行读取可以获得试验的原始数据。空载时滤波前后压力传感器输出波形如图3所示。

图3 空载时滤波前后压力传感器输出波形

当压力传感器空载时，压力传感器数据会呈现如图3(a)所示的扰动。这说明原始的压力值存在较大的干扰，需要经过一定的滤波处理才能正常使用。通常的滤波方法有限幅滤波、中位值滤波、叠加平均滤波和复合滤波[10]。为了兼顾滤波效果以及数据点采集速度，在比较不同的滤波方法的滤波效果之后，采用2点叠加平均+12点滑动叠加平均的复合滤波方法对原始的压力测量数据进行处理。当压力传感器空载时，原始压力信号经过复合滤波后的波形如图3(b)所示。可以看到扰动的幅值明显下降，说明该方法可以很好地抑制干扰。

1.3.3 数据存储方式

通过C++调用Excel的动态链接库[11]，可以将测量得到的试验数据按照一定的格式保存为Excel文件，以方便后续对数据的研究与分析。

使用测量显微镜所提供的动态链接库，利用动态链接库中提供的函数，可以很方便地对测量显微镜进行控制。测量显微镜每450 ms自动拍摄一张接触面照片，并以bmp的格式保存。值得注意的是，若将拍摄照片的代码放入主程序的进程中，会造成循环超时问题。为了避免该问题的产生，需使用多线程技术。

1.3.4 仪器运行误差的自动校正

实际运行过程中，仪器最大压力及下降位移的运行结果与设定值之间存在一定偏差。对JKR测能仪而言，自动运行速度和阈值都有可能对误差大小产生影响。通过测试分析这两个参数与误差的关系，对实际运行结果进行校正。

① 压力运行误差校正

以聚丙烯酸水凝胶Bis0.05作为被测样品，设定最大压力分别为1 mN和2 mN，自动运行速度选取为1 μm/s，2 μm/s，…，9 μm/s，对于相同的初始参数重复进行5次试验，然后将误差的绝对值取平均。校正前后的压力误差如表1所示。

表1 校正前后的压力误差

从表1可以看到，最大压力设定值的大小与误差值基本无关；自动运行速度越大，造成的误差越大。

将自动运行速度与压力误差值进行线性拟合，得到如下关系：

ΔP=0.039 87v-0.013 78

(2)

式中：ΔP为压力平均绝对误差；v为自动运行速度。

经过校正，实际运行得到的压力误差明显减小。

② 位移运行误差校正

同样以聚丙烯酸水凝胶Bis0.05作为被测样品，设定下降位移分别为30 μm和50 μm，自动运行速度为1 μm/s，2 μm/s，…，9 μm/s，对于相同的初始参数重复进行5次试验，然后将误差的绝对值取平均。校正前后的位移误差如表2所示。

表2 校正前后的位移误差

从表2可以看到，位移误差与压力误差有相类似的结论，即位移误差与下降位移设定值的大小基本无关，与自动运行速度有关，且自动运行速度越大，误差越大。

将位移误差与自动运行速度进行线性拟合，得到如下关系：

Δδ=0.886 2v-0.039 14

(3)

式中：Δδ为位移平均绝对误差；v为自动运行速度。

经过校正，实际运行得到的位移误差大幅减小。

2 仪器的试验测试结果

由于难以定量地对JKR测能仪的性能进行评估，因此采用定性的方法分析JKR测能仪的性能。

首先，对同种被测材料进行JKR数据采集。由JKR理论可知，在微接触的情况下，对于同种材料，最大压力的大小并不影响粘着能的大小。

初始参数设置如下。采用压力控制模式，自动运行速度为3 μm/s，则对聚丙烯酸水凝胶Bis0.2进行测量得到的曲线如图4所示。

图4 水凝胶Bis0.2粘着能释放曲线

从图4可以看到，在最大压力分别为1 mN和2 mN的情况下，两次试验得到的测量曲线基本重合，抛物线面积和反向最大拉力基本相同，符合JKR理论的先验知识。

其次，对不同的被测材料进行JKR接触试验。对于不同的材料，由于其黏性和硬度不同，会造成其粘着能释放曲线也存在较大差异。

初始参数设置如下。采用压力控制模式，最大压力为1 mN、自动运行速度为3 μm/s，对水凝胶Bis0.1、Bis0.15、Bis0.2进行测量，得到的结果如图5～图7所示。

图5 Bis0.10粘着能释放曲线

图6 Bis0.15粘着能释放曲线

图7 Bis0.20粘着能释放曲线

从图5～图7可以看到，随着交联剂量(Bis)的增加，水凝胶粘着能释放曲线的反向最大拉力和抛物线面积都在减小。这说明材料的黏性下降，符合这三种材料的实际性质。

3 结束语

本文采用虚拟仪器技术设计和开发了JKR测能仪软硬件系统；通过各个传感器的总成搭建了测能仪硬件系统；通过VC++6.0编写了测能仪软件系统，由测能仪的软件系统控制硬件系统，完成JKR试验以及试验数据的采集。

测试结果表明，JKR测能仪可以很好地对被测材料的粘着能释放情况进行测量。该仪器操作简单，运行精度高，初始参数可以灵活地人为设定，并能实时保存被测材料的测量数据，为研究物质的粘着效应提供了一个便捷可靠的实验平台。

[1] Johnson K L.接触力学[M].北京:高等教育出版社,1992.

[2] Johnson K L,Kendall K,Roberts A D.Surface energy and the contact of elastic solids[C]//Proceedings of the Royal Society of London,Series A,1971:301-313.

[3] 薛文琪,翟正军.基于虚拟仪器的电源测试系统设计与实现[J].计算机工程与设计,2010,31(6):1330-1334.

[4] 秦树人.虚拟仪器—测试仪器从硬件到软件[J].振动、测试与诊断,2000,20(1):1-6.

[5] 李国厚,冯启高.虚拟仪器技术及其开发与应用[J].自动化仪表,2002,23(7):4-6.

[6] 卢奂采.虚拟仪器技术的发展及现状[J].自动化仪表,2001,22(11):1-3.

[7] Nunalee F N,Shull K R.Contact mechanics studies with quartz crystal microbalance:origins of the contrast factor for polymer gels and solutions[J].Langmuir,2004(20):7803-7089.

[8] 郭百巍,孟秀云,陈大融.微粗糙表面接触的仿真研究[J].计算机仿真,2005(z1):500-503.

[9] 徐晓刚,高兆法,王秀娟.Visual C++6.0入门与提高[M].北京:清华大学出版社,1999.

[10]向红军,雷彬.基于单片机系统的数字滤波方法的研究[J].电测与仪表,2005,42(9):53-55.

[11]杜诗雨,王子源.Visual C++操作Excel的应用研究[J].计算机与现代化,2011(8):201-206.