一种测试角度可调的毫-微牛级蒲公英种子脱离力测试系统

本发明属于力学测试，尤其涉及一种测试角度可调的毫-微牛级蒲公英种子脱离力测试系统，具有测试角度连续可调、加载平稳、测力精度高等特点。

背景技术：

1、经历数百万年的自然进化，植物形成了许多巧妙的策略来实现种子传播，这对植物繁殖的适应性进化起关键作用，其中风媒传播方式中最具代表性的植物就是蒲公英。蒲公英种子从花序头上的高效脱离作为启动传播的关键环节，其精妙的脱离机制具有重要研究价值。蒲公英种子嵌入区因倒刺结构能与花序头沟槽形成“倒刺-沟槽”锁合，且嵌入深度远小于非嵌入区域长度而产生杠杆效应，因此呈现出显著的脱离方向敏感性，这为新型可控锁紧/释放机构的仿生设计提供新的灵感。因此，需要开发一种微力测试系统专门用于测试蒲公英种子多角度脱离力，以实现蒲公英种子脱离特性的多角度精确表征。

2、发明专利cn110274722a公开了一种具有过载保护装置的毫-微牛级二维力微动测试系统，该系统包括测试平台组件、水平滚珠丝杠组件、水平测力传感器组件、竖直滚珠丝杠组件及竖直测力传感器组件，能够测试仿生原型产生的毫-微牛级法向力、附着力、摩擦力、刺透力及剪切力，同时具备传感器过载保护功能。但该项技术仅能实现水平与竖直方向的直线进给与力值测量，不具备角度连续可调测试能力，无法满足蒲公英种子多角度脱离力的测试需求。发明专利 cn107340231a 公开了一种离心式微牛级昆虫摩擦力在线实时测试系统及测试方法，测试系统主要由测试平台及附属机构、调速电机及转速控制器、高速视频成像系统和机座四部分构成；该系统采用滚珠丝杠与步进电机组合结构，能够精准控制高速视频成像系统的位移，摄像机中心与测试平台中心保持同轴，具备垂直方向的自由度调节能力，可实时调整其与测试平台的垂直距离，以准确获取测试对象脱离平台瞬间的半径信息，进而计算得到测试对象在材料表面产生的最大附着力。该系统的测试精度不受传感器量程限制，适合表征体型较小昆虫在不同材料表面的附着特性，但测试过程依靠离心旋转驱动样本运动，运行时会产生持续气流干扰，因此不适用于蒲公英种子脱离力的精准测试。发明专利 cn105444940a 公开了一种微小力值的测量方法，该方法利用光源、透明液体、托盘、容器和摄像机等部件，通过液体表面张力与重力形成凹液面，光线经凹液面折射后在容器底部形成阴影，通过摄像机拍摄阴影面积变化并结合图像分析技术，实现微小法向力的高分辨率、高速测量。该方法可达到皮牛至纳牛级的测力精度，适用于生物医学、纳米材料、微电子机械系统等领域的微小力测试，但该系统依赖于特定透明液体介质的形变特性与光学可见性，仅能对规则托盘类对象进行法向力测量，难以实现蒲公英种子脱离力的精准测量。

3、综上所述，现阶段以测力传感器为核心部件、基于离心运动原理与图像分析处理的测力系统，在测试精度、测试准确性、测试平台功能等方面无法同时满足蒲公英种子毫-微牛级多角度脱离力的测试需求。因此，需研制一种测试角度可调的毫-微牛级蒲公英种子脱离力测试系统，具备测试精度高、测试角度0~90°连续可调等特点。

技术实现思路

1、在此处本发明要解决的技术问题是提供一种测试角度可调的毫-微牛级蒲公英种子脱离力测试系统，该系统专门用于测试蒲公英种子多角度脱离力，具有测试角度连续可调、加载稳定、测力精度高等特点，能够真实反映蒲公英种子多角度脱离力。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种测试角度可调的毫-微牛级蒲公英种子脱离力测试系统，其特征在于包括测试样本固定平台及其转动控制组件、水平微动平台、升降平台及其移动控制组件、测力传感器及其固定组件与测试系统底座组件；所述测试样本固定平台及其转动控制组件安装于水平微动平台上，水平微动平台固定于升降平台及其移动控制组件上，升降平台及其移动控制组件与测力传感器及其固定组件均安装于测试系统底座组件上。

3、对上述方案作进一步限定，所述测试样本固定平台及其转动控制组件包括测试样本固定平台、自紧式三爪夹具、轴用弹性挡圈、旋转角度标尺、角度指针固定螺栓、角度指针、减速器固定螺栓、步进电机固定螺栓、步进电机、减速器、减速器输出轴；所述测试样本固定平台呈倒 l 形，其水平表面设有夹具螺纹安装孔，竖直表面设有键槽孔；自紧式三爪夹具安装于所述夹具螺纹安装孔；减速器输出轴与键槽孔配合并通过轴用弹性挡圈固定；旋转角度标尺粘贴于测试样本固定平台竖直表面底部；减速器设有减速器输入端、减速器输出端、角度指针安装孔以及半开式安装孔；角度指针通过角度指针固定螺栓安装于角度指针安装孔并与旋转角度标尺配合；步进电机通过步进电机固定螺栓安装于减速器输入端；减速器通过减速器固定螺栓穿过半开式安装孔与水平微动滑块相连接；减速器输出轴与减速器输出端配合连接，以驱动测试样本固定平台转动。

4、对上述方案作进一步限定，所述水平微动平台包括水平微动滑块、微动旋钮以及水平微动平台底座；所述水平微动滑块连接减速器；微动旋钮安装于水平微动平台底座顶部，用于驱动水平微动滑块实现水平位移精细调节；水平微动平台底座固定安装于升降平台上。

5、对上述方案作进一步限定，所述升降平台及其移动控制组件包括升降平台、升降平台步进电机、步进电机固定螺栓、电机固定支架、联轴器、滚珠丝杠、滑块、升降平台固定螺栓、滚动轴承、轴承固定支架、导轨、直角连接件、底座固定螺栓、移动控制组件底座、轴承固定座；所述升降平台设有升降平台凹槽、升降平台螺栓孔以及升降平台螺栓槽，其中升降平台凹槽卡装于滑块；滑块设有滑块安装孔，升降平台固定螺栓置于升降平台螺栓槽中并穿过升降平台螺栓孔与滑块安装孔实现升降平台的固定；升降平台步进电机设有步进电机输出轴，并通过步进电机固定螺栓安装于电机固定支架；联轴器两端分别连接步进电机输出轴与滚珠丝杠；滚珠丝杠两端分别与滚动轴承配合并安装于轴承固定支架与轴承固定座之间，轴承固定支架与轴承固定座通过螺栓安装在移动控制组件底座上；滑块同时与滚珠丝杠及导轨配合，导轨通过螺栓固定于移动控制组件底座；移动控制组件底座通过底座固定螺栓与直角连接件固定在测试系统底座上。

6、对上述方案作进一步限定，所述升降平台在升降平台步进电机、滚珠丝杠与滑块驱动下沿竖直方向做升降运动。

7、对上述方案作进一步限定，所述测力传感器及其固定组件包括测力传感器、水平机架、传感器安装螺栓、竖直机架、机架与底座直角连接件、机架直角连接件以及压线螺栓；所述测力传感器设有安装孔与压线螺栓孔；水平机架设有安装通孔；水平机架与竖直机架通过机架直角连接件固定连接；竖直机架通过机架与底座直角连接件固定于测试系统底座上；所述测力传感器通过传感器安装螺栓穿过安装孔与安装通孔固定于水平机架；压线螺栓安装于压线螺栓孔，压线螺栓底部设有尼龙丝，用于连接测力传感器与蒲公英样本。

8、对上述方案作进一步限定，所述测试系统底座组件包括测试系统底座与测试系统底脚；所述测试系统底座四角设有测试系统底角螺纹安装孔，测试系统底脚对应安装于测试系统底角螺纹安装孔。

9、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供测试角度连续可调的毫-微牛级蒲公英种子脱离力测试系统，该系统以高精度应变式测力传感器为核心部件，并采用尼龙丝连接应变式测力传感器与蒲公英种子(细杆顶端)，通过测试样本固定平台实现蒲公英种子的可靠夹持与脱离角度的精准调节，设置水平微动平台补偿测试样本经旋转产生的水平偏移，确保脱离力始终沿竖直方向施加，以恒定速率驱动升降平台下行，张紧的尼龙丝对蒲公英种子施加脱离力，应变式测力传感器同步输出电压信号，利用数据采集卡将其转换为数字信号后传输至上位机，通过数据处理与界面显示程序将输出的数字信号转换为相应的脱离力，并使数据以曲线形式实时显示于界面窗口，以及以坐标点形式存储，能为蒲公英种子脱离特性多角度表征提供技术与方法参考，亦能促进新型可控锁紧/释放机构的仿生研制。