（机械设计及理论专业论文）指纹对手指皮肤摩擦特性影响的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 x i o j s j o a 摘要 摘要 人的手指皮肤是人们在劳动中长期进化的产物，指纹在人体手指皮肤的摩 擦特性中扮演着重要的角色。研究指纹对皮肤摩擦特性的影响及其作用机理具 有重要的理论意义和工程实用价值，它对指导车辆橡胶轮胎的表面花纹设计、 刹瓦的表面花纹设计、防滑鞋的表面花纹设计以及其它各类工业摩擦材料的表 面形状设计等均具有重要意义。 f 国际上对人体指纹的研究大多集中在指纹识别方面，目前，还末见有指 纹对手指皮肤摩擦特性有何影响的研究报导。本文进行了此方面的研究探索。 一、f 通过对指纹特征的分析，作者设计制造了一台能测试手指皮肤摩擦特性 的实验台。在此实验台上，作者详细实验研究了指纹对手指皮肤摩擦特性的影 响，以及表面花纹对软橡胶摩擦特性的影响。研究表明：指纹对手指皮肤的摩 擦特性有重要的影响，指纹的存在，虽然降低了手指皮肤干摩擦时的摩擦系数， 但却大大增加了手指皮肤有润滑时的摩擦系数。由于人体手指皮肤在正常情况 下，一定处于有润滑的状态，因此，指纹的存在大大改进了手指皮肤的摩擦特 性。同样，表面纹路对橡胶的摩擦特性也有重要的影响，表面纹路的存在，虽 然降低了橡胶干摩擦时的摩擦系数，但却大大增加了橡胶有润滑时的摩擦系 数。不同的表面花纹对橡胶的摩擦特性有不同的影响，直线花纹优于椭圆花纹 和圆形花纹，直纹表面在于摩擦时与有润滑时的摩擦系数均大于椭圆花纹和圆 形花纹表面的摩擦系数。 本文的研究结果对指导车辆橡胶轮胎的表面花纹设计、刹瓦的表面花纹设 计以及防滑鞋的表面花纹设计等均具有指导意义。、 本文的研究获得了教育部留学回国人员基金资助。 关键词：指纹，皮肤，摩擦，表面花纹，橡胶，空气支承 浙江大学颁十学位论文a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n o ft h ei n f l u e n c eo ft h e f i n g e r p r i n t o n f i n g e r s k i n s f r i c t i o np r o p e r t i e s a b s t r a c t ：t h ef i n g e rs k i no fh u m a ni sa ne v o l u t i o n a lo u t c o m e f i n g e r p r i n t sh a v ea l l i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nf r i c t i o np r o p e r t i e so ff i n g e rs k i n s t os t u d yt h ee f f e c t so f f i n g e r p r i n t so nf i n g e rs k i n sf r i c t i o np r o p e r t i e sh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n g a n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e ，i ti sv e r yh e l p f u lf o rs u r f a c el i n ed e s i g n so fr u b b e r t y r e s ，b r a k e b l o c k sa n d t h eb o t t o mo fs h o ee ta 1 a t p r e s e n t ，m o s t o ft h er e s e a r c h e sa b o u t f i n g e r p r i n t s a r ef o c u so nt h e i d e n t i f i c a t i o no f f i n g e r p r i n t sh o w e v e r , h i t h e r t o ，t h er e s e a r c hn e w sa b o u tt h ee f f e c t s o f f i n g e r p r i n t so nf i n g e r s k i n sf r i c t i o np r o p e r t i e sh a sn o tb e e ns e e n i nt h i sp a p e r , at e s tm a c h i n ef o rm e a s u r i n gt h ef r i c t i o nb e h a v i o ro f f i n g e rs k i n s h a sb e e n d e s i g n e d t h e e f f e c t so f f i n g e r p r i n t so f ff i n g e rs k i n sf r i c t i o np r o p e r t i e sa n d e f f e c t so fs u r f a c el i n e so nr u b b e rf r i c t i o np r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l t h e r e s u l t so b t a i n e di n d i c a t et h a t f i n g e r p r i n t sh a v ea l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo nf r i c t i o n p r o p e r t i e so ff i n g e rs k i n e s a l t h o u g hf i n g e r p r i n t sd e c r e a s et h ec o e f f i c i e n to ft h e f i n g e rs k i n sd r yf r i c t i o n ，t h e yi n c r e a s eg r e a t l yt h ec o e f f i c i e n to ft h ef i n g e rs k i n s b o u n d a r yf r i c t i o n b e c a u s ei ti s a l w a y si nt h eb o u n d a r yf r i c t i o nw h e nt h ef i n g e r s n a t c h e sa t o b j e c t s ，s o t h e f i n g e r p r i n tu p s w i n g sg r e a t l yf r i c t i o nb e h a v i o r so ft h e f i n g e r s k i n t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t et h a tt h es u r f a c el i n e s a l s oh a v ea n i m p o r t a n t i n f l u e n c eo nr u b b e rf r i c t i o n p r o p e r t i e s a l t h o u g h t h es u r f a c el i n e s d e c r e a s et h ec o e f f i c i e n to ft h er u b b e r d r yf r i c t i o n ，t h e y i n c r e a s e g r e a t l y t h e c o e f f i c i e n to ft h er u b b e rb o u n d a r yf r i c t i o n d i f f e r e n ts u r f a c el i n e sh a v ed i f f e r e n t e f f e c t so nr u b b e rf r i c t i o np r o p e r t i e s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h er u b b e rw i t h s t r a i g h ts u r f a c el i n e si sl a r g e rt h a nt h a to f t h er u b b e rw i t he l l i p t i cs u r n c el i n e so r w i t hc i r c u l a rs u r f a c el i n e s t h i sm e a n st h a tt h es t r a i g h ts u r f a c el i n e sa r eb e t t e rt h a n t h e e l l i p t i cs u r f a c el i n e sa n d t h ec i r c u l a rs u r f a c el i n e s t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i s p a p e ra r ev e r yh e l p f u lf o rs u r f a c el i n ed e s i g n so f r u b b e r t y r e s ，b r a k e b l o c k sa n d t h eb o t t o mo fs h o ee ta 1 t h i sp r o j e c ts p o n s o r e db ys c i e n t i f i cr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rr e t u r n e do v e r s e a s c h i n e s es c h o l a r s ，s t a t ee d u c a t i o nc o m m i s s i o n k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n t ，s k i n ，f r i c t i o n ，s u r f a c el i n e ，r u b b e r , a i rb e a r i n g 浙江人学倾i 。学位论丈第一章绪论 第一章绪论 人体手指、足趾上的皮肤纹线与身体其余部位的皮肤纹线有着极其明显的 不同，而这两处正是人行走、抓拿物品的接触部位。这种纹线是人们在劳动中 长期进化的产物，是一种优化的结果。目前，对人的指纹也进行过不少的研究， 但主要集中在指纹的识别方面。人的行走、物品的抓拿是靠人的脚与地面的摩 擦、手指与物品的摩擦来实现的。因此，人的足趾和手指皮肤纹路的作用一定 有着摩擦学的解释。虽然从直观想象来看，指纹在人的手指和足趾皮肤的摩擦 特性中一定有其重要的作用，但至今未见有此方面的报道。目前还没有看到有 学者从事过此方面的研究。作者从事了此方面的研究。作者认为进行此方面的 研究具有重要的理论和工程实用价值。其研究结果至少可应用于以下几个工业 领域。 首先是机器人领域。随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提 高，机器人的应用越来越广泛，而机器人的手部是直接用于抓取和握紧( 或吸 附) 物品或兴持专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安 装于机器人手臂的前端。手部结构及形式根据它的使用场合和被央持物体的形 ：映、尺寸、重量、材质( 易碎性、导磁性) 以及被抓取部位等的不同而设计成 各种类型的手部结构。它一般可分为央钳式、气吸式、电磁式和其它型式。气 吸式和电磁式具有一定的局限性。如气吸式要求所吸表面平整光滑、无孔或无 油。电磁式适用于吸附有剩磁而无妨的场合和带网孔的钢铁板料等。对于不准 有剩磁的物品如钟表、仪表类零件，不易选用电磁式吸盘。夹钳式是最常用的 一种，它要求具有适当的央紧力和驱动力，对于一些高表面质量的物体，用目 前常用的央钳式手指抓取时一般应尽量避开高质量表面或在手指上加软质挚 片，以防央持时损坏工件，目前常用的夹钳式手指也不宜于用于兴持易碎物品 或不能产生变形的物品。手指握力( 夹紧力) 大小要适宜，力量过大则消耗多， 结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹紧不住或产生松动、脱落。 但若我们在设计机器人手指时，通过模仿人体手指设计出合理的结构和表面纹 路，改进其摩擦特性，就可大大改进央钳式手指的性能，扩大其应用场合。 其次是汽车领域。在汽车橡胶轮胎的设计中存在着胎面花纹型式的设计问 题。如果路面上没有雨水或尘埃，用完全光滑的胎面将获得最高的滑动摩擦系 数( 在特定情况下可能达到5 ) 。因为大的接触面积使摩擦的粘附分量达到最 浙江大学硕l 学位论文 第一审绪论 大值。然而在这种情况下，最轻微的水膜存在将抑制粘附作用，从而造成十分 危险的状况( 摩擦系数可能降到0 1 或更小) 。自然，可能采取的改进办法便 是在轮胎的表面上配置适当的胎面花纹。这使在于状态下的粘附摩擦系数降到 低于l 的数值，因为接触面积由于沟纹存在而减少了。可是，在湿状态下的有 效摩擦系数则将大为增加( 在湿路面上刹车滑行的平均摩擦系数f = 0 4 ) 。实 际上，胎面沟纹的存在能使多余的水从轮胎底部排出，因而使粘附机理基本上 得到恢复。因此，就摩擦系数而言，平滑轮胎在干的和湿的状态下将分别获得 较高的和较低的摩擦系数，而适当的胎面花纹则给出一折中的数值。 从设计的观点看，胎面花纹中的沟或槽，应能在高速滚动中的极短时间内 从轮胎底部排出相当体积的水。虽然道路表面的纹理机构也能使水从接触面积 中排泄，但大量的水是由胎面纹路中排出的。现在使用的三种基本的胎面花纹， 可分为“之”字形的、肋状的和方块的，如图1 1 所示。而试验表明各种形式 的功能是不相上下的。除了大量排水这基本功能以外，有花纹的轮胎也允许 胎面的局部运动或“擦拭作用”，以利于挤出路面的宏观结构上薄的水膜。这 就需要配置通向沟纹的小槽。因此现代的胎面设计呈现下列各项： ( a ) 槽或沟有如图卜l 中的基本排列，或是这些设计的变形。对于不同的 花纹，沟的容积变化很小。这些沟约3 毫米宽、1 0 毫米深，并且是从轮胎底 部的中一d 连续外延的： ( b ) 横向窄槽或支槽，其截面尺寸通常比它们所连接的主槽小。横向窄槽 是不连续的，在断面上断开。它们帮助从轮胎底部排出大量的水，同时在擦拭 作用中允许胎面做大的或宏观的运动： ( c ) 小槽或小沟通向槽或支槽。这些小沟允许胎面作局部“蠕动”或微动， 这是滚动过程的特征。然而小槽对从轮胎底部直接排水不起作用。 图1 2 列出一典型的“之”字形胎面花纹，有槽和小槽。 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 网i 西t ( i 越山 之字形肋状块状 花纹花纹花纹 a a 蓝面 一4 、一。一彳 、 。 、。- ii i- 一 一一一一一 噌 、亡 _ _ i 气y _ 丁- t 丁7 7 - r 7 7 _ = = 寻 ! ，( ， oll、ffc ，”。弘，| ；寺t 、? ”， 十j? i i - 、。，、 o i 、一fr j t 77 j 。、k 一 、r - t 弋支、i 沁 、：i ：z ：二i i 二2 一2 图i - l 三种基本的胎面花纹设计图i - 2 典型的“之”字形花纹中的槽及小槽 此外，诸如刹瓦、防滑鞋等均存在着花纹型式的设计问题。因此，研究人 的指纹对皮肤摩擦特性的影响及其作用原理具有重要的理论意义和工程使用价 值。它对指导工业机器人手指的设计，对指导车辆橡胶轮胎表面花纹、刹瓦表 面花纹、防滑鞋表面花纹以及其它各类工业摩擦材料的表面形状的设计均具有 重要意义。目前，国际上有关手指皮肤摩擦特性的研究开展的极少，也无相关 的实验设备。因此，本课题的研究内容主要是设计并建立一套手指皮肤摩擦特 性测试系统：在此系统上进行大量的实验，以研究不同皮肤、指纹的摩擦特性。 通过分类、归纳，找出指纹对皮肤摩擦特性的影响规律，探讨其作用机理，从 而获得具有工程应用价值的结果。 本文的研究获得了教育部留学回国人员基金资助。 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 第二章指纹 2 1 指纹的特点 指纹，人人皆有，各不相同，终生基本不变，已众所周知。世界各地，各 行各业，尤其是公安，司法部门都在注意指纹的研究和应用，这是由其本身具 有的特点所决定的。 一、人各有不同 每个人的指纹的形态特征、花纹结构都有自己独有的特点。目前世界几十 亿人口有名字相同，相貌相似，但至今还没有发现指纹完全相同的人。这不仅 有生理解剖学和数学理论为依据，而且已被指纹工作者的研究所证实。研究表 明，不同人种，不同民族，不同家族的人，即使父母与子女，子女之间，双胞 胎之间的指纹也没有发现完全相同的。近百年来各国自有指纹登记和指纹分类 管理及侦破案件中的指纹鉴定实践，尚未发现指纹有完全重复的实例。这就从 理论到实践都充分证明了人的指纹各不相同的客观性。而且实践还进一步证明 了不仅人各不相同，就是同一个人的手指和手掌的不同区域之间也是有区别 的。 二、基本不变 指纹的稳定性很强。人从出生至死，直到躯体彻底腐败变质之前，其基本 的属性是不变的，始终保持着它原来的形态结构和基本的细节特征。从胚胎学 角度考虑，胎儿3 一个月既产生了指纹，至6 个月左右的胎儿既形成了完整 的指纹。出生后随着年龄增长，纹线会变粗，花纹的面积会增大。但到了成年 以后，这些变化即无显著表现。而花纹的类型结构、细节特征的总体布局、乳 突线的总数目等方面，自怀胎6 个月到出生至死之腐败之前，始终是无明显变 化的，这充分表明了指纹的稳定性是很强的。 指纹的相对稳定性很强的特点，还表现于它具有一定的复杂性和难于毁灭 性。它的复杂性来源于真皮乳头的再生能力，只要不伤及真皮，不把真皮乳头 和表皮生发细胞毁坏，即使表皮被大面积剥脱，亦能够逐渐恢复起来，而且保 持着原来完全同一的花纹形态和结构，以及全部细节特征。只有伤及真皮，破 坏了真皮乳头和表皮生发细胞组织，才使局部纹线遭到破坏。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章指纹 三、触物留痕 手接触物体就会留下痕迹。由于手指、手掌乳突线上经常附着有汗液、油 垢、灰尘等物质。汗垢细腻不含杂质，均匀地分布在皮肤表面，且容易脱离皮 肤，能牢固地附着物体表面。因此，只要做某种动作、触摸或拿取物体，就能 够留下痕迹。 2 2 乳突纹的形态结构和分类 乳突纹是手指、手掌皮肤组织的凸凹结构显示在表面上的细小凹凸纹路， 其形态为线条状，呈有规则的定向排列。它是皮肤组织细胞的一种结构形式。 微观皮肤组织由表皮和真皮组成。( 见图2 1 ) 图2 1手掌皮肤组织结构 l 乳突线 2 小犁沟 3 汗孔 4 汗腺导管 5 表皮层 6 乳突状突起 7 汗腺腺体 8 真皮层 一、表皮 表皮在皮肤浅部，是一种复层扁平( 或叶鳞状) 上皮组织。细分可分为 四层：生发层、颗粒层、透明层、角化层。 1 生发层 为表皮的最深层，含有多层细胞。细胞深部与真皮乳头互相镶嵌，凹凸不 平。生发层又可分为基底层和棘细胞层。生发层起着细胞增殖，并逐步向浅层 推移的作用，借以补充脱落上皮细胞的损失。 2 颗粒层 浙江大学顾士学位论文第二章指纹 位于棘细胞层的浅部，厚度不等。一般为2 3 层梭形细胞所组成。细胞 核有退化萎缩现象。最明显的特点是细胞质内含有大小不一的透明角质颗粒。 3 透明层 位于颗粒层浅部，约有3 4 层扁平细胞组成。细胞质内含有透明角质颗 粒所溶化的角母素，反光力很强。所以细胞分界和细胞核都不易分解。 4 角化层 ， 是表皮最浅的一层，由多层( 可达数十层) 已经角化的扁平细胞组成。角 化细胞含有角蛋白，细胞多呈透明鳞状角质板，细胞核萎缩溶解。细胞之间的 联系逐渐消失，故常成片的脱落，成为皮屑，由深层细胞增补，以维持其一定 的厚度和结构。 从上可看出，从表皮的基底层到角化层，实际上是生发层基底细胞分裂增 殖，新生细胞向表面逐推移，失去分裂能力变为棘细胞进而变为颗粒细胞，并 进入透明、角化，最后脱落的动态变化过程。这表明人体表皮经常保持着自我 更新的动态平衡，维持着表皮的一定厚度和结构。这是一种属于正常的生理性 再生。如果皮肤受到机械或高温的作用，而使局部的表皮剥落，可依靠这种生 理性的在生，在较短的时间内恢复原来的皮肤表面结构。 二、真皮 真皮位于表皮深处，向下与皮下组织相连。真皮由致密结缔组织组成，含 多量胶原纤维，弹性纤维，网状纤维和各种结缔组织细胞( 以成纤维细胞和肥 大细胞较多) 。真皮又分乳头层和网状层。 1 乳头层 此层与表皮生发层紧相连接。纤维排列成细束，形成较为疏松的细网，细 胞也较多。此层组织向表皮深面形成许多隆突，与表皮的凹处镶嵌称为真皮 乳头。其垂切面呈凹凸波浪形，平面观则呈线状排列的凸凹相间的花纹图形。 乳头内含有丰富的毛细血管网( 叫血管乳头) ，供给表皮营养物质，并运走表 皮的代谢物。有些乳头内还有触角小体( 叫神经乳头) ，能感受接触的刺激。 由于真皮乳头层的形成，皮肤表面呈现与之相应的凸凹结构。由许许多多乳头 突起连接成的线条，称为乳头线，许多乳头线构成的图形称为乳突花纹，即指 纹。与乳突线并行的细线称小犁沟，和许多乳突线一道构成各种花纹和细节特 征。 6 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 2 网状层 网状层在乳头层深部，与乳头层没有明显界限。此层含有比较粗大的胶原 纤维束和弹力纤维束，网状纤维较少。纤维束大多与表面平行，纵横交错排列 成密网状，使皮肤具有很大的韧性和弹性。此层有较大的血管、淋巴管、汗腺、 毛囊和皮脂腺等。神经和神经末梢较丰富。此层深部可见环层小体，能接受压 迫和振动的刺激。 2 3 乳突线的一般形态和花纹的类型 乳突线在指、掌不同位置上有其共同的形态。很大多数纹线较长，有它自 己的起点、终点：一部分很短，呈小棒、小点：线条互相连接，又构成分歧结 合、小勾、小桥、小眼等形态。在纹线的组合上，手指、手掌各有其排列规律， 构成不同类型的花纹( 见图2 - 2 ) 。 弓形线：纹线从一方起向相对的方向延伸弯曲成弓形，而不向出发的这一 方向回转。 箕形线：乳头线从一侧向另- n 的斜上方延伸，弯曲成半圆形，再返回原 方向与起点闭合或不闭合。按其外形可把箕形线分为箕头、箕枝、箕口三部分。 环形线：纹线呈闭口圆圈，有正圆形和椭圆形。 螺形线：纹线的一端绕自身旋转l 周以上呈螺形。旋转方向有顺时针和逆 时针两种。 曲形线：纹线弯曲成拼音字母 直形线：纹线呈棒状或横直形 波浪形线：纹线从一方流向另 规则的。 或“s ”形状。 呈凸凹波浪状形态。有规则的，有不 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 ( 1 ) 八、 ( 3 ) o oo ( 5 ) 们 ( 7 ) 一厂 ( 2 )门夕 ( 4 ) o回 ( 6 ) 一 7 图2 - 2单一线条的基本形态 上述各种单一形态的纹线，在手指、手掌( 和足底) 各部分的分布，并非 杂乱无章。它们以许多相同形态的纹线在一起，占据着一定位置，形成了一种 体系：若干种不同体系的纹线在意定部位按一定的结构进行组合，则构成了各 种不同的，然而是完整的，较为复杂的图案花纹。 2 4 指纹的基本类型 根据指纹的内部花纹( 即中一心花纹) 可分为弓形纹、箕形纹、斗形纹3 种 基本类型。一个完整的指纹一般由二、三种纹线所构成，绝大多数指纹具有3 种纹线系统，即：内部花纹系统、外围线系统和根基线系统。 内部花纹系统：位于指纹的中心，分别由箕形线、环形线、螺形线或曲形 线组成。内部系统的中心结构和形态的复杂多样性，构成了花纹划分类型的主 要依据。 外围线系统：纹线从左、上、右三面包围了内部系统，又称外围线。多由 弓形线组成。少数指头的外围线，靠近指尖部位变成斜直状态的纹线。纹线粗 细与内部纹线相仿。纹线数量是较多的，通常约有二，三十根以上。 根基系统：分布在内部系统的下面，即基底部位，又称根基线。由弧度较 小的弧形线或波浪线和直形线组成。通常纹线较粗而疏，纹线数量较少，从几 根到十几根( 见图2 3 ) 。 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 1 内部系统2 ，外围系统3 根基系统 图2 3 纹线的三个系统 3 个纹线系统汇合处称为三角。大多数指纹具有1 个或2 个三角。对各式 各样的指纹进行分类，除根据指纹的内部花纹可将指纹分为弓形纹、箕形纹、 斗形纹三种基本类型外，还可利用乳突线花纹的细节特征进行分辩( 见图2 4 ) 。 ( 1 ) 弓形纹：由上部弓形线和下部波浪线横直线或2 个系统组成，可细 分为： 弧形纹：由多数弧度较小的弓形线( 在上部) 和少数波浪横直形线( 在下 部) 构成。 帐形纹：由弧度较大的弓形线( 在上部) 和部分波浪横直线( 在下部) 及 中心有l 根以上垂直线( 支撑着弓形线) 构成。 9 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 ( 2 ) 箕形纹：内部花纹由箕形纹组成，具有3 个系统，3 个系统汇合 在一侧构成1 个三角。内部中心花纹有l 根以上的箕形线。这条箕形线不折不 断很完整。箕形纹存在正箕和反箕之分，根据箕口的开闭状态不同又分为开口 箕和闭口箕两种。 ( 3 ) 斗形纹：内部花纹中心有l 根以上的环形线或螺形线或曲形线，其 上部和两侧有较多的弓形线包围。下部为波浪横直线。3 个系统汇合处有2 个 以上三角，根据中心花纹的不同，可分为：环形斗、螺形斗、双箕斗、束形斗 和杂形斗。 图2 4 指纹的三种基本类型 2 5 汗腺、汗孔及汗液 汗腺是分泌汗液的腺体，汗孔是汗腺排泄汗液的出口。汗液从汗孔排出皮 肤表面。 一、汗腺与汗孔 汗腺为单管曲腺，人体上除嘴唇等极少数部位之外，各处皮肤都有汗腺。 汗腺由分泌部分和导管部分组成。分泌部分，在真皮深处或皮下组织内盘曲成 球形，是分泌汗液的部分。导管部分为细长扭曲的上皮管道。从真皮深处向表 皮蜿蜒前进，在两个真皮乳峰之间进入表皮，改成螺旋线孔道，最后开口于皮 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 肤表面乳突线上，称为汗孔。手掌脚掌和腋下汗毛孔平均每平方厘米4 0 0 6 0 0 个。汗孔分布在每一条乳突线上，其间距是不同的。每毫米间3 5 个汗孔。两 个汗孔的间距通常在0 ，l o 5m m 之间，直径约为o ，0 5 0 8i t l n q ，深为0 0 1 一 o 5m n l ，呈漏斗状，其形态不己，有圆形、长圆形、星状形、三角形、l 肾形、 条形等。其位置有在乳突线中央的叫中间汗孔，在边缘的叫边缘汗孑l ，把乳突 腺断开的叫切断汗孔。 二、汗液 1 汗液的排泄与分布 汗液有汗腺腺体细胞分泌，在肌上皮细胞收缩的挤压下排出汗液，经由导 管排出皮肤表面，分布在乳突线上( 见图2 1 ) 。其生理作用有三： ( 1 ) 可湿润表皮的角化层； ( 2 ) 借助水分和离子的排出以调节体温及水盐平衡； ( 3 ) 排出含氮代谢物( 尿素等) 。 由于每个人汗腺的分布和发达程度不同，其发汗量各有差别。汗腺分布密 集而发达的人，手足经常湿润多汗：而汗腺分布情况相反的人，则常感干燥。 同时汗液分泌的多少，又与机体对外界环境和内部刺激的反应机能密切相关， 如外界气温的变化和精神状态又直接的影响作用。当人处于平静或气温寒冷之 时，汗液分泌量很少，仅能分布与汗孔周围。此时留下的印痕，乳突线常常呈 断断续续的线条。若气温较高( 夏天、中午或高温作业环境等) ，或强烈运动 留下的印痕，线条是连贯的、清晰的。若精神处于高度紧张，出现惊恐状态时， 手足冷汗甚多。除乳突线上布满汗液外，小犁沟亦有大量汗液，此时留下的印 痕，线条往往是模糊一片。 三、汗液的主要成分 汗液主要由水和其它化学物质组成。其中水分占9 9 9 9 4 ，其它化学 物质仅占o 6 l 。 据分析，在其它化学物质中，无机成分占8 2 4 6 ，有机成分占1 7 5 4 其中浓度为5 9 9 6 8 7 毫克升。汗液的酸碱度，以p hs 一2 型酸度计测定 通常在ph 6 5 8 1 之间，即处于中性ph7 上下。 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 四、影响汗液成分变化的因素 国内外的研究资料表明，汗液成分的含量是一个变量，不是一个恒量。它 受许多因素的影响而引起差异和变化。如个体差异、部位差异、男女差异、年 龄差异、人种差异、饮食差异、季节气温差异、发汗速度差异和持续性差异等。 五、汗液的一些特点 汗液的排出并布满皮肤表面。由于双手的功能活动，常常接触带有油脂质 ( 皮脂腺分泌的) 的头面部或其它带油脂的物品，以及某些细微的灰尘等物质， 使汗液混杂这些物质而被称为“汗垢。”汗垢具有这样一些特点： ( 1 ) 汗垢本身是一种很细腻的粘性物质，不含坚硬粗糙的杂质； ( 2 ) 能均匀的分布在乳突纹线上： ( 3 ) 能容易的脱离皮肤： ( 4 ) 能牢固的附着在承受物表面， ( 5 ) 汗液能持续不断的分泌、排泄出来，能经常保持皮肤表面附着这 些汗垢物质。 2 6 指纹受力后的变化 人的手指上乳突线除具有本身的特征外，还由于皮肤的特性和手旌力引起 其特征变化。 皮肤是一种软组织，皮下有较为发达的脂肪层，使皮肤富有较强的弹性和 伸缩型，且深部又有肌肉，在力的作用下容易产生“自由移位”现象，引起特 征的各种变化。对指头来讲，由于外形呈半球面体，更加强了皮肤移位的能力。 皮肤移位的表观随着用力的大小、方向不同而不同。以手指肚接触物体为 例，当指肚接触物体表面垂直用力( 向下按压) 时，指肚中心( 即花纹中心) 部位接触物体要比侧面来的早，承受的压力比之也较大，随着按压力的加强， 皮肤向四周伸开，中心纹线间隙( 犁沟) 拉大，中心周围的皮肤堆积，纹线密 集。若按压力是向前后或左右方向时，纹线一般是朝着一个方向移动，皮肤的 位移是朝着手指运动的相反方向进行。 如果按压力是旋转的，手指肚的皮肤产生复杂的位移，中心部分将是被压 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章指纹 缩的纹线，边缘也将使一部分伸张一部分压缩。 各种特征的具体变化分述如下： 一、花纹形状的变化 由于作用力的方向不同，花纹可能伸长或缩短。就指头而占，纵向力( 向 前或向后) 作用，花纹大多会缩短( 变扁) ；横向力( 相左或向右) 作用，花 纹夺回伸长( 见图2 5 ) 。 垂直向下的压力， 花纹形态较正常 横向力的作用 花纹拉长 纵向力的作用，花 纹缩短( 变扁了) 图2 - 5 作用力方向不同引起花纹形状的变化 二、纹线弯曲程度的变化 由于皮肤的移动，纹线的弯曲度容易产生变化。变化较大的是指失和手掌 的纹线。它们可能由直形变成弧线，或变成波浪型；向上弯曲的纹线，可能变 直，甚至变成向下弯曲。手指中心花纹两侧外围线的坡度可变小或变大。根基 线可能发生由直变弯，或由弯变直( 见图2 - 6 ) 。 浙江大学硕士学位论文 第一二章指纹 雾雾 向前用力 纹线变直 上f 垂直用力 纹线弧度正常 图2 - 6纹线弯曲度的变化 三、纹线粗细、间隔的变化 通常情况时压力大，纹线粗、间隔小；压力小，纹线细、间隔宽。此外， 压力的方向亦有关系。由于皮肤向手指运动的相反方向移动，致使前头的皮肤 绷紧，纹线间隔拉宽，后边的皮肤却挤缩，纹线间隙变窄( 见图2 7 ) 。 毒誊 压力大时 图2 7 纹线粗细间隔的变化 压力小时 通过对皮肤组织、结构和指纹的分类，以及指纹受力后的变化特征的研究、 分析，可帮助我们正确地设计研究手指皮肤、指纹摩擦特性的测试系统。 4 浙江大学硕士学位论文第三章指纹摩擦特性测试系统的设计与建立 第三章指纹摩擦特性测试系统的设计与建立 摩擦学实验中，测量摩擦系数的方法比较多。一般可分为静摩擦系数和动 摩擦系数的测量。静摩擦系数的测量比较简单，例如用可调倾斜面测量，将试 样置于对偶斜面上逐渐增加斜面倾角直至开始滑动，就可根据倾斜角的值算得 摩擦系数。静摩擦系数还可用牵引法测定，即将试样置于对偶件的水平面上， 然后用弹簧或砝码牵引，测出开始滑动时的作用力即为摩擦力，在经换算可得 出静摩擦系数。 动摩擦系数是通过测定摩擦副中一连续运动试样带动对偶件的摩擦力或 摩擦力矩，然后经换算可得出动摩擦系数。测量摩擦力的方法一般有：机械法、 电测法等。机械法如m h k 一5 0 0 环块式磨损试验机的摩擦力杠杆等。电测法是 采用压力传感器将摩擦产生的摩擦力作用到压力传感器上，再转换成电量输入 到测量仪器和记录仪上。电测法的特点是可以自动连续的计录摩擦过程、摩擦 系数的变化情况。 这些测量摩擦力的实验装置，都无法应用于测试手指皮肤摩擦特性的研 究，需重新设计并建立一套新的皮肤摩擦特性的测试系统。本章对测试系统的 结构组成、工作原理及实验性能作一全面介绍。对测试系统的关键零部件，如 气体静压支承、压力传感器的设计及制造工艺进行分析，设计并调试传感器输 出信号的采集、处理装置，并将处理后的信号传送至a d 转换卡，实现数据 的实时采集及分析。 3 1 测试系统的总体组成 本测试系统除了用于测试手指皮肤的摩擦特性外，还要应用于测量液体动 压润滑摩擦力。所有参数采用传感器，将非电量转变为电信号，经信号采集处 理装置，再传送至计算机，对数据进行处理、分析。 测试系统大致可分为五个部分：气体静压支承( 实验支承平台) ；供气装 置：传感器；信号处理仪器；数据a d 转换和计算机处理( 见图3 1 ) 。 其测试原理为：首先由气源向气体静压支承供气，气体静压支承的上浮块 悬浮起来。将手指指肚轻轻压在装在上浮块上的传感器l 的中心部位，再将手 浙江夫学预仁学位论文第三芎指纹摩擦特性测试系统的【5 汁j - 建一7 指向下向前施力。上浮块与下支承间为气体润滑，两者间摩擦力极小，可忽略 不汁。因此，在手指与传感器间摩擦力的作用f ，上浮块向前运动，传感器2 受力，此力即为手指产生的摩擦力。直至手指指肚与传感器接触面发生打滑。 这样，两个传感器连续不断的将压力和摩擦力转换为两路电信号传送至信号处 理仪器( 动态电阻应变仪) ，再进行a d 转换，在计算机中处理、分析，得 到其摩擦特性。图3 - 1 画出了测试系统示意图。下面分别介绍测试系统中各部 件的设计及计算。 售量 图3 - 1 测试系统示意图 3 2气体静压支承 气体静压支承是研究手指皮肤摩擦特性测试系统中的关键组成部分，是实 验的支承平台。不同人的手指皮肤，不同指纹的皮肤，摩擦特性是不同的。为 准确测出不同皮肤、指纹特征的摩擦特性，区分它们的变化，须隔阻其它因素 的影响。故需设计制造一种新型支承结构。 气体静压支承是以气体为润滑剂的一种静压支承。相对于气体动压支承而 言，气体静压支承具有较大的承载能力，而且与支承表面之间有无相对运动无 关。另外，气体静压支承对加工精度要求没有气体动压支承要求高，成本相对 浙江大学硕士学位论文第三章指纹摩擦特性测试系统的设计与建立 便宜。与液体静压支承相比，气体静压支承中的润滑剂无需回收使用，因而它 的费用比液体静压支承要低。另外，我们知道静压支承的摩擦正比于润滑剂的 粘性系数。对于液体静压支承，若其摩擦元件处于全油膜润滑状态，则摩擦系 数很小，一般约为0 0 0 0 1 t o 0 0 0 4 。而气体的粘性系数为普通润滑油的1 1 0 0 0 ， 摩擦也成1 1 0 0 0 。因此，气体静压支承的摩擦力极小，磨损也极小。除上述 优点外，气体静压支承还具有使用方便的优点，即空气普遍存在，其化学组成 近乎稳定，其物理性能和状态也就完全确定，可直接排入大气而不至于引起污 染。因此可做成开路系统，这比油润滑的循环系统简单多了。 综合上述特点，尤其是摩擦力极小的优点，作者采用了气体静压支承作为 本研究课题的支承平台。然而文献中现有的各类气体静压支承结构都存在加工 精度要求高，加工困难，制造成本高等缺陷，很难满足我们的课题研究要求。 为此作者设计制造了一种新型结构的气体静压支承。此种结构的气体静压支承 具有结构简单，加工精度要求不高，制造容易，造价低，承载能力大、刚性好， 且能同时承受双向载荷等优点，能满足课题研究要求，具有很好的工程应用价 值。 3 2 1 新型气体静压支承的基本结构 0 。 。 。 。 。 狭缝 一 一一_ = 一一一一= 一一：= 。一 1 一上浮块2 一左组合块3 一中间组合块4 一右组合块 图3 2 新型气体静压支承结构草图 1 7 浙江大学硕士学位论文 第三章指纹摩擦特性测试系统的设计与建立 图3 2 画出了新型气体静压支承的结构草图。此种支承由四个零件组成。 零件l ( 上浮块) 为工作台面，上面可安装其它实验装置。零件1 在y 方向无限 位，能自由滑动，摩擦阻力近似为零。零件2 和零件4 侧面上加工小孔，零件 3 两侧面磨削出凹槽。零件2 和零件3 、零件3 和零件4 装配后形成矩形狭缝， 起节流器作用。此种支承的工作原理是：压缩空气从进气口进入，之后分为两 路。一路经狭缝节流后进入垂直方向( z 方向) 承载气垫平面，另一路经环形 小孔节流后进入侧向( x 方向) 承载气垫平面。因此此种支承可同时承受垂直 方向和侧向载荷。 3 2 2 新型气体静压支承( 轴承) 的设计计算方法 气体轴承的设计，应把握轴承的负荷能力、刚性、流量、稳定性等轴承性 能，支配这些轴承性能的是轴承间隙内的气体压力分布状况，表现它的方程式 可从气体的运动方程式、连续性方程式、气体状态方程式、能量方程式导出。 一气体轴承的基础方程 取如图3 3 所示的坐标，则气体运动的n a v i e r s t o k e s 方程式可写成： 1 寸 k i 一 图3 3 滑动轴承模型 川 丝出州训 砖争 拟一知，硎、 2 3 a 一笼 ：一， a 一瑟 坠苏- 一心 一却一苏比卫苏 a一玉锄一钞 +，吐 主知针 抛一瑟 抛一砂 锄磊抛一西 r 酬l 浙江丈学硕士学位论文 第三章指纹摩擦特性测试系统的设计与建立 式中u 、v 、w 为x 、y 、z 方向的气体速度，7 为气体的粘性系数 p 为密度，p 为压力。 连续性方程式，实际上是质量守恒定理在气体力学中的应用，其表达式为 型+ 劐+ 型：一塑( 3 2 ) 积 西 现a t 气体状态方程式把气体的状态变量，即压力、密度和绝对温度p 、p 、t 联系 起来，这就是 旦：r r( 3 3 ) p 其中，r 是气体常数，对于一定的气体其值不变。 在气体润滑问题中，往往可以把气体的过程视为等温过程，其误差不超过百分 之几。对于等温的气体过程，可令上式中的t = c o n s t 。这样上式便成为 旦：笠 pp ， 其中，p 。和成分别是大气压力和密度 上面总共列出了五个方程式：即三个运动方程式，一个连续性方程式和 一个状态方程式。而变量也恰为五个，即p 、p 、u 、v 、w 。因此，只要给 孓 川 塑拓切 。 生缸 丝赫i非驰 一 十 加一砂川 一陀一伽一砂比卫砂 a一砂却一曲 + r 刊- 印一砂汀孔 a丐旦七 一 十 加一瑟 加一砂 加一苏加一甜 r 刮l k u 型曲州刊 o丝钞 卜。业出 塑知i搬翱 跏i明 一协一锄一出 仰， 斗 。一昆 挑一苏 + r 硎l 皇出甜 = + 型瑟 却一砂 型苏塑甜 r 圳l 羔鬯2 兰墅坐壁垒兰 兰三兰堂竺壁塑塑垡! ! 苎墨鉴竺堡生兰堕皇 出适当的边界条件，问题是封闭可解的。 二 平行平板间的气流 从图3 2 可看出，新型气体静压支承的气流形式为两平行平板间的气流形 式。下面对平行平板间的气流进行分析，推导出工程设计时所用的基本计算公 式。 1 矩形狭缝中的气流 为简化分析，一般作以下假设： ( 1 ) 润滑剂的体积力与粘性力相比，可忽略不计，即流体不受附加力 场的作用： ( 2 ) 垂直于气流的任何截面上的压力都是恒定的； ( 3 ) 气膜中任何一点上层流气流条件都应存在： ( 4 ) 在流体与板之间的界面上不存在滑动。 ( 5 ) 不考虑气体沿z 方向的流动。 l 奄 图3 4 两平行平板之间的气流 当压力p 。大于压力p 。时，气体沿x 方向流动：y 方向气膜断面中的速度分布 呈抛物线型，与每块平板接触的气体是静止的 塑坚盔堂嘎= 三学位论文第三章指纹摩擦特性测试系统的殴计与建立 将图3 4 中的参数与上述假定应用到纳维一斯托克斯( n a v i e r - - s t o k e s ) 方程 即得 磐：土宴( 3 - 4 ) 0 3 , 。7 o x 上式表明x 7 亨n t i , 力梯度同由此产生的y 方向速度分布2 n 存在的关系。式中 u 是某点气体速度，p 是该点气体压力，玎是气体粘度。 将式3 - 4 积分，得 塑：土生y + a 咖 r d x 式中 a 一积分常数，再积分之，得 。：上蔓皂z 二+ 爿。+ b r d x2 7 设平行平板间的间隙为h ，那么当y = 0 ，y = h 时，u = 0 。将这些边界条 件代入，得b = 0 和爿：一上塑 2 r d x 则 “= 五i 五d p y 0 一 ) 式3 - 5 给出了任意给定位置上气膜断面中气体的速度 抛物线型。最大速度位于间隙中间，即在y = h 2 。 流经宽度为b 的平行平板之间的气体质量流量为 坍2 印j 咖 式中肌一气体质量流量 p 一气体密度。 将式3 - 5 代入上式，得 ( 3 5 ) 并表明速度分布呈 浙江大学硕士学位论文 第三章指纹摩擦特性测试系统的设计与建立 积分得 将上式重新整理后，得 d p ：一一1 2 r l m ( 3 6 ) 一- - - 一 、 d x b o h 3 式3 6 给出了质量流量与平行平板间沿气流流动方向的压力梯度之间的关系。 至此，都是假定密度p 沿y 方向是恒定的，因而式3 - 6 对液体和气体都能使用。 但是，气体密度与压力有关，从而，当压力沿x 方向改变时，在气体密度与压 力之间未建立起一定关系之前，不能对式3 - 6 积分求出压力沿x 方向的分布。 可以假定气体过程是等温的，因为气膜中所产生的热量很少，而且轴承通常是 金属的，是高导热性的。在等温条件下有 一p ：r t ( 3 7 ) 口 式中r 一气体常数 7 1 一绝对温度 将式3 - 6 的p 用式3 - 7 代入，并进行变量分离后得 p d p ：一掣出 b h 积分得 只2