专利名称：一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置及使用方法
技术领域：
本发明涉及流体流动测量领域，特指一种基于石墨烯的表面摩擦力的测量装置及其测量方法，其可以解决特殊复杂场合的流体壁面摩擦力测量问题。
背景技术：
表面摩擦应力测量既是一个重要的应用问题也是一个基础的研究问题，它不但可以用于改善交通运输工具的的性能而且可用于描绘流场中物体表面流动的特征。测量表面摩擦应力的方法通常包括=Preston管、Stanton管、底层隔板、热线、热膜、激光多普勒法 、表面油膜等；PreSton管、Stanton管和底层隔板属间接差压测量法，无法实现动态测量；热膜能够实现动态测量，但较难实现摩擦力方向的测量；热线法能够实现摩擦力方向测量，但制作困难，易损坏；激光多普勒只是单点摩擦力测量，且非常昂贵；表面油膜法的优点是能够实现全局摩擦力测量，但绝对摩擦力的量值误差会较大，且无法实现动态摩擦力测量。
发明内容
为了避免和克服上述不足，本发明的目的是提供一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置及使用方法，可以实现复杂摩擦力场的动态测量。一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置，其包括底座、圆台形测量体、石墨烯片层和铜箔电极；所述圆台形测量体固定在底座上，在圆台形测量体侧面均匀分布若干块等面积的石墨烯片层，铜箔电极对应各石墨烯片层两侧弧线的边缘设置。作为改进，所述石墨烯片层可以分为四块。进一步的，所述圆台形测量体的侧面与底面夹角为45°。此外，本发明还提供了一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置的使用方法，该装置中石墨烯片层为四块，其使用过程包括以下步骤:
1)将表面摩擦力测量装置放置于摩擦力标定系统内，在已知来流摩擦力大小和角度的情况下，使来流流过该装置，产生钝体绕流，标定出摩擦力系数C和角度系数；
2)校准出表面摩擦力测量装置各石墨烯片层区域的系数曲线；
3)将校准后的表面摩擦力测量装置放入待测流体中，使待测流体流过测量装置产生钝体绕流；测量出各石墨烯片层区域两端电压，依据电压最大原则初步判断来流所在区域；依据该区域和相邻两个区域的电压大�。蟪鼋嵌认凳�1(。和总电压系数为K,;再依据该区已经校准出的系数曲线，插值求出摩擦力的大小和方向。所述步骤I)具体为:
1.1)测量各石墨烯片层区域两端电极之间的电压U;比较各区域的电压大�。ㄒ遄畲蟮牡缪顾谇狪区；顺时针依次为2、3、4区；则各区电压分别为U1、U2、U3、U4 ；
1.2)定义I区和3区所在方向为轴向，定义2区和4区所在方向为法向；定义摩擦力方向与轴线之间角度为α角，角度系数为Ka，定义总电压系数为K,，所涉及的公式如下:
权利要求
1.一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置，其特征在于包括底座(I)、圆台形测量体(2)、石墨烯片层(3)和铜箔电极(4);所述圆台形测量体(2)固定在底座(I)上，在圆台形测量体(2)侧面均匀分布若干块等面积的石墨烯片层(3)，铜箔电极(4)对应各石墨烯片层(3)两侧弧线的边缘设置。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的表面摩擦力的测量装置，其特征在于所述石墨烯片层(3)有四块。
3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯的表面摩擦力的测量装置，其特征在于圆台形测量体(2)的侧面与底面夹角为45°。
4.一种权利要求1所述基于石墨烯的表面摩擦力测量装置的使用方法，该装置中石墨烯片层(3)为四块，其特征在于包括以下步骤: 1)将表面摩擦力测量装置放置于摩擦力标定系统内，在已知来流摩擦力大小和角度的情况下，使来流流过该装置，产生钝体绕流，标定出摩擦力系数C和角度系数K,； 2)校准出表面摩擦力测量装置各石墨烯片层区域的系数曲线； 3)将校准后的表面摩擦力测量装置放入待测流体中，使待测流体流过测量装置产生钝体绕流；测量出各石墨烯片层区域两端电压，依据电压最大原则初步判断来流所在区域；依据该区域和相邻两个区域的电压大�。蟪鼋嵌认凳�1(。和总电压系数为K,;再依据该区已经校准出的系数曲线，插值求出摩擦力的大小和方向。
5.根据权利要求4所述的基于 石墨烯的表面摩擦力测量装置的使用方法，其特征在于步骤I)具体为: 1.1)测量各石墨烯片层区域两端电极之间的电压U;比较各区域的电压大�。ㄒ遄畲蟮牡缪顾谇狪区；顺时针依次为2、3、4区；则各区电压分别为U1、U2、U3、U4 ；1.2)定义I区和3区所在方向为轴向，定义2区和4区所在方向为法向；定义摩擦力方向与轴线之间角度为α角，角度系数为Ka，定义总电压系数为K,，所涉及的公式如下:
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯的表面摩擦力测量装置的使用方法，其特征在于步骤2)具体为:改变a角，校准出该区系数曲线，包括:Ka-a曲线、Κ,-α曲线； 根据权利要求4、5或6所述的基于石墨烯的表面摩擦力测量装置的使用方法，其特征在于步骤3)中，把若干个表面摩擦力测量装置按照阵列排布在待测流体中执行步骤3)，实现全局摩擦力场的测量。
全文摘要
本发明公开了一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置及使用方法，该装置的圆台形测量体固定在底座上，在圆台形测量体侧面均匀分布若干块等面积的石墨烯片层，铜箔电极对应各石墨烯片层两侧弧线的边缘设置。使用方法是利用流体流过石墨烯时，在石墨烯材料两端会诱导产生电压，且诱导电压与流体壁面摩擦力成线性关系。根据诱导电压的大�。辛魈灞诿婺Σ亮Υ笮『头较虻牟饬�。本发明结构简单，无可动部件，可靠性好，由于测量信号为电信号，响应快，能进行动态摩擦力测量。另外对测量装置进行阵列分布，则可实现全局表面摩擦力场的测量。
文档编号G01L5/00GK103217243SQ20131009099
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者白亚磊 申请人:南京航空航天大学
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