前言：就目前的市场而言，并没有成熟的摩擦电试验系统。研究者需要通过搭建简易摩擦起电测试台或者改造标准摩擦试验机的方式开展相关的摩擦起电试验。然而多数标准试验机并不适用较小载荷和绝缘条件下的摩擦起电试验。因此，开发具备摩擦－电学性能测试系统对于摩擦起电的研究有着重要的意义。
1.摩擦－电学性能系统组成
摩擦－电学性能是物理学中电力方面最常见的元素之一，摩擦－电学性能有效运用在科学实验中，在实验中，能探索出摩擦－电学的具体应用范围，摩擦－电学性能同时也是高校课堂对电学性能进行探索的一堂重要的课程。摩擦－电学性能测试系统主要是由试验机骨架、加载模块和测控模块组成，摩擦－电学性能包括了概念设计和详细设计两方面。在概念设计阶段，通过摩擦－电学性能功能结构的分析，判断出摩擦－电学性能的主要工作原理。在详细设计方面，合理运用教学中常用的三级建模，来进行布局设计、标准件选型和强度校核等设计。摩擦－电学性能中的试验机骨架主要包括底板、支撑板、隔离板和外壳等一系列金属板壳。该项实验实际时主要考虑对试验机内部空间的合理规划，并将实验操作区域与电路控制区域隔离，并需要遮挡和隐藏部分区域，便于模块的更换，增强看测试系统的综合性。
2.摩擦－电学性能关键技术
2.1小载荷平稳加载设计
摩擦－电学测试系统的关键点为实现小载荷条件下的微电流测量，其中主要的技术为小载荷平稳加载设计。小载荷平稳加载设计在试验初期，主要组件为摩擦试验机。摩擦试验机可以有效对电力进行控制，并通过摩擦的方式，观察其电能的具体变化。摩擦试验机的基本特征主要是由上向下运动的，在特定的载荷作用下实现了某种形式的运动。实验人员通过对摩擦试验机进行观察，根据不同时间摩擦试验机的不同运动轨迹，得出结论：摩擦试验机内的载荷越小，平稳加载的难度就越高。因此，载荷的平稳加载是实现摩擦－电学试验测试的关键元素之一。
除了摩擦试验机外，其中机械式加载也是小载荷的试验因素之一。当小载荷中的机械式元素进行加载时，其内部构造中的弹簧因具有较好的稳定性和抗冲击性而被广泛应用在新型试验机的开发设计中。新型试验机中的加载精度决定了滚珠丝杠的导程和弹簧的劲度系数。其中，滚珠丝杠的导程为5mm，加载电动机每1000个脉冲就转一圈，所选的弹簧为不锈钢弹簧，最软的弹簧外径为11mm，直径为1mm，长度为50mm，劲度系数为0.8N/mm，可满足0.01N的加载精度。因此，机械式加载中所表现出来的数据更能表达小载荷平稳加载的设计理念[1]。
2.2微电流测量绝缘处理
微电流测量绝缘处理也是摩擦－电学测试中的一种关键技术。摩擦－电学测试系统可以在测量荷载、摩擦力信号的同时，还能够测量上、下试样摩擦过程中的微电流信号。从目前的微电流研究领域来看，研究者多采用常规的摩擦试验方法，主要利用附加测量微电流设备的标准摩擦试验机，来考察材料特性和界面参数对产生的摩擦起电量造成的影响。其中，标准式试验机在摩擦信号测量方面表现较好，但是由于内部的绝缘性较差，所以在摩擦微电流测量中并不准确。因此，针对上、下试样的部分元件做足够的绝缘处理。
例如，在标准摩擦试验机中，试验机中的直线下滑台上部绝缘，可以有效隔离上试样和试验机的主体部分，因此无需再进行绝缘处理。但是下试样却与转动轴相连，并不容易为其做绝缘处理。在试验中，首先要使用橡胶垫片和橡胶螺栓来固定下试样，来减少因固定螺栓而产生的电荷损失。然后需要采用绝缘漆或者绝缘胶带对4根支撑柱的上部进行绝缘处理，保证试验机的内部电荷能稳定，避免向下流出。最后，向下方的滚珠轴承的外圈喷洒绝缘漆，保证电荷不向外面流出。试验机内的绝缘设计主要是为了保证摩擦产生的电荷不会发生转移，最终实现了上、下试样之间的通路，上、下试样与试验机主体均呈现断路状态[2]。
3.摩擦－电学性能试验研发测试
3.1样机对标测试
样机对标测试是摩擦－电学测试系统中的一项试验测试方法，在电学性能领域方面发挥着重要的作用。为了验证测试系统在基本摩擦测试方面的准确程度，需要对其进行试验测试，该试验测试主要是以本实验室的多功能摩擦磨损试验机为标准进行对标测试试验，通过试验主要是为了对比荷载的稳定性。首先要在实验室内准备2台机器来做后续的备用。在试验开始后，分别在2台机器上进行2组重复性的对标测试验，并在试验信息表中记录出所需的数值，在表中可以看出，Ra代表粗糙度，v表示转动的速度。
接下来，需要利用移动平均法对摩擦－电学测试系统和对标的摩擦试验机进行准确的数据处理，得出载荷曲线的波动情况。由此可知，相比于标准的对标的摩擦试验机，摩擦－电学测试系统的载荷性能更好，其载荷波动为±0.3N，波动的幅度为±1％，对标试验机中的缓冲弹簧能够有效地降低载荷的波动幅度。该测试系统在F＜50N时表现出来的加载性能更加稳定，能够保证摩擦力信号的稳定性，并且具有较好的重复性，可以实现摩擦起电测试的平稳进行。
3.2摩擦起电试验
摩擦起电试验是摩擦－电学测试系统中的一项重要的试验测试方法。主要以载荷为例，需要研究摩擦起电试验对摩擦起电量的影响。摩擦起电试验中，主要是以铝盘和纯铜－销为主，通过运用摩擦起电试验来说明铝盘和纯铜－销试样在F=10～30N条件下的试验信息。在摩擦－电学测试系统中，试验样机可以实现F＜50N的稳态加载和小于600r/min的恒速转动。在试验机内附带缓冲弹簧，试样机内的上、下试样主要经过了有效的绝缘处理，已达到彻底绝缘。试验机内的摩擦微电流是由数字万用表采集并进行测量的，其中的载荷和摩擦力等摩擦参数可以由NI板卡采集并导出。
在不同的载荷条件下，电荷的变化也并不相同，电荷主要是伴随着时间的变化而变化。由此可知，当载荷量较小时，微电量存在着一定的正负波动，主要表现为电荷曲线的波动上升。当载荷量较大时，微电流相对稳定，主要表现在曲线的平稳上升。因此，在一定的范围内，摩擦起电量随载荷的增大而增大，与规定的结果一致，即转移电荷量与载荷量存在着明显的线性关系。因此，在日后的摩擦－电学测试系统试验中。可以多运用摩擦起电试验进行操作，有效记录了微电流的准确变化。
结论：综上所述，摩擦－电学测试系统的设计和研发至关重要。通过摩擦－电学测试系统，可以实现对微电流、载荷和摩擦系数的实时测量，并为系统配制出摩擦微电流测量装置，微电流测量装置可以实现小载荷条件下的平稳加载和微电流的准确测量，为规范化地开展摩擦－电学测试系统的试验提供参考。
参考文献：
[1]何可,武子帅,王道爱.摩擦-电学性能测试系统的设计与研发[J].上海交通大学学报,2021,55(05):624-630.
[2]郑传涛,刘洋,闫格.石英音叉扫频及性能测试教学科研系统[J].吉林大学学报(信息科学版),2021,39(01):100-105.