一種多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置及其測(cè)量方法
【專利說明】一種多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置及其測(cè)量方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及摩擦副接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0003]控制摩擦減少磨損、改善潤(rùn)滑性能是節(jié)約能源和材料、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命和提高可靠性的重要措施。長(zhǎng)期以來，人們一直認(rèn)為，如果滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)合理且潤(rùn)滑良好，則滾動(dòng)表面可以被潤(rùn)滑膜隔開，處于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)，低速條件或者重載條件下則可能處于薄膜潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑膜變薄，摩擦系數(shù)增大。壽命試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)潤(rùn)滑油厚度對(duì)疲勞壽命有顯著影響。
[0004]點(diǎn)、線接觸的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑發(fā)生在毫米級(jí)的微小區(qū)域內(nèi)，潤(rùn)滑膜厚度則僅為微米級(jí)甚至納米級(jí)。要求對(duì)出現(xiàn)在如此微小區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜潤(rùn)滑現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量，在技術(shù)上是非常困難的。普通的機(jī)械量測(cè)試方法已經(jīng)不再適用，而須采用專門的測(cè)試技術(shù)。
[0005]光干涉法是目前最為精確，最廣泛使用的測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的方法之一。測(cè)量的基本原理是，通過光線入射球盤接觸區(qū)得到干涉圖像，分析圖像中的干涉條紋從而得知接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度。一般都在接觸區(qū)的玻璃盤一側(cè)鍍有半反半透膜使得干涉條紋更加清晰，有時(shí)還可以再附加一層硅膜作為墊層，從而實(shí)現(xiàn)更加薄的潤(rùn)滑膜厚度的測(cè)量，如邊界潤(rùn)滑或薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)下潤(rùn)滑膜厚度的測(cè)量。對(duì)干涉圖像條紋的處理，若是白光干涉，則比較待測(cè)量膜厚干涉圖像和已知幾何形狀的干涉圖像的HSI或者RGB信息，從而獲得待測(cè)膜厚形狀和尺寸；若是單色光干涉，則提取圖像灰度信息作為光強(qiáng)值，基于相對(duì)光強(qiáng)原理，利用光強(qiáng)極值將測(cè)量點(diǎn)的光強(qiáng)歸一化為[_1，1]范圍內(nèi)的相對(duì)光強(qiáng)，將外界光強(qiáng)干擾及其他光學(xué)系統(tǒng)的影響歸結(jié)為零膜厚時(shí)的相對(duì)光強(qiáng)標(biāo)定，根據(jù)膜厚與單色光波長(zhǎng)、干涉級(jí)次之間的關(guān)系計(jì)算出膜厚值，此基于相對(duì)光強(qiáng)原理的光干涉法減少了測(cè)量誤差。光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的靈敏度很高，一般可以達(dá)到納米級(jí)，可測(cè)量亞微米甚至納米級(jí)的潤(rùn)滑膜厚度。白光干涉測(cè)量膜厚必須通過計(jì)算機(jī)特定算法及軟件去除人眼分辨色彩尋找相應(yīng)膜厚的主觀性誤差；單色光干涉更容易獲取更清晰、干涉級(jí)次更多的條紋，比白光干涉可測(cè)量的膜厚范圍大，計(jì)算和分析比較簡(jiǎn)單，但是一般需要?jiǎng)討B(tài)標(biāo)定干涉級(jí)次，對(duì)設(shè)備要求動(dòng)態(tài)性能要求高，標(biāo)定復(fù)雜和困難，并且因?yàn)閳D像只包含灰度信息，測(cè)量準(zhǔn)確性沒有白光干涉的高。
[0006]因此，現(xiàn)有單色光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的技術(shù)尚有待改進(jìn)和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種無需動(dòng)態(tài)標(biāo)定干涉級(jí)次、實(shí)施方便的多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置及其測(cè)量方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案: 一種多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置，包括固定平臺(tái)、電機(jī)、同步帶、玻璃盤、油槽、杠桿和微動(dòng)支架，所述電機(jī)、玻璃盤、油槽和杠桿均安裝在固定平臺(tái)上，所述電機(jī)位于玻璃盤的右側(cè)，電機(jī)的軸和玻璃盤所在的軸均向下穿過固定平臺(tái)，且電機(jī)的軸與玻璃盤所在的軸通過所述同步帶連接，玻璃盤的下方鍍有半反半透膜，所述杠桿通過螺栓固定在玻璃盤左側(cè)的固定平臺(tái)上，所述油槽安裝在杠桿的右端，且油槽位于玻璃盤左側(cè)的下方，所述半反半透膜與鋼球構(gòu)成點(diǎn)接觸的摩擦副，所述油槽內(nèi)設(shè)有鋼球、微型軸承和潤(rùn)滑劑，鋼球部分浸泡在潤(rùn)滑劑中且鋼球通過所述微型軸承三點(diǎn)支撐在油槽中，所述杠桿的左端安裝有載荷，所述電機(jī)還連接有調(diào)速裝置，所述微動(dòng)支架安裝在固定平臺(tái)的左側(cè)，所述微動(dòng)支架上安裝有顯微鏡，顯微鏡上安裝有工業(yè)相機(jī)，所述顯微鏡還通過光纖連接有鹵素?zé)簦鲲@微鏡、工業(yè)相機(jī)、光纖和齒素?zé)艚M成的光路中設(shè)有濾光片，所述工業(yè)相機(jī)還通過數(shù)據(jù)線連接有計(jì)算機(jī)。
[0009]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述電機(jī)的軸與玻璃盤所在的軸相互平行。
[0010]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述半反半透膜的材料是金屬鉻。
[0011]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述潤(rùn)滑劑為潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂。
[0012]作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案:所述多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置在測(cè)量時(shí)至少采用兩種以上中心波長(zhǎng)的濾光片。
[0013]所述多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置的測(cè)量方法，具體步驟如下:
1)輕載情況下使玻璃盤和鋼球剛好接觸，靜止?fàn)顟B(tài)下分別用三種波長(zhǎng)測(cè)量和記錄三種波長(zhǎng)的牛頓環(huán)；
2)分析和記錄三種波長(zhǎng)的牛頓環(huán)的中心光強(qiáng)和各干涉級(jí)次的最大、最小光強(qiáng)，根據(jù)極值光強(qiáng)及周期標(biāo)定每一波長(zhǎng)的膜厚-光強(qiáng)曲線；
3)分別測(cè)量目標(biāo)工況下三種波長(zhǎng)的干涉圖像，記錄圖像，提取中心膜厚處的光強(qiáng)值，在步驟2)中各波長(zhǎng)的標(biāo)定曲線上相應(yīng)找出可能的膜厚；
4)分析和比較三種波長(zhǎng)干涉圖像在測(cè)量點(diǎn)的膜厚值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，選取標(biāo)準(zhǔn)差小的對(duì)應(yīng)級(jí)次作為中心膜厚處的實(shí)際干涉級(jí)次，此時(shí)的膜厚的加權(quán)平均為中心膜厚；
5)根據(jù)相鄰干涉條紋的級(jí)次關(guān)系計(jì)算出圖像其他處的膜厚，最終得到完整的膜厚形狀和尺寸。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明無需動(dòng)態(tài)標(biāo)定光干涉圖像中條紋的干涉級(jí)次、對(duì)設(shè)備動(dòng)態(tài)性能要求低，實(shí)施方便，綜合利用了不同波長(zhǎng)單色光在不同膜厚大小處分辨率不同的特點(diǎn)，使得在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)有較高分辨率和精度，采用的波長(zhǎng)數(shù)越多則測(cè)量越準(zhǔn)確，相比白光干涉測(cè)量方法計(jì)算和分析較簡(jiǎn)單，相比傳統(tǒng)單一波長(zhǎng)的單色光干涉測(cè)量方法則降低了設(shè)備制造及控制精度對(duì)測(cè)量誤差的影響，提高了測(cè)量精度，是進(jìn)行油品性能測(cè)試和潤(rùn)滑機(jī)制研宄的有效手段和措施。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明中多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的方法實(shí)施方式中的膜厚-光強(qiáng)曲線。
[0017]圖3是本發(fā)明中多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的方法實(shí)施方式中的膜厚-光強(qiáng)分辨率曲線。
[0018]圖中:1-調(diào)速裝置；2_電機(jī)；3_同步帶；4_固定平臺(tái)；5_玻璃盤；6_半反半透膜；7-鋼球；8-油槽；9-杠桿；10-微動(dòng)支架；11-顯微鏡；12-濾光片；13-工業(yè)相機(jī)；14_計(jì)算機(jī)；15_齒素?zé)簦?6-光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0020]請(qǐng)參閱圖1-3，一種多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置，包括固定平臺(tái)4、電機(jī)
2、同步帶3、玻璃盤5、油槽8、杠桿9和微動(dòng)支架10，所述電機(jī)2、玻璃盤5、油槽8和杠桿9均安裝在固定平臺(tái)4上，所述電機(jī)2位于玻璃盤5的右側(cè)，電機(jī)2的軸和玻璃盤5所在的軸均向下穿過固定平臺(tái)4，且電機(jī)2的軸與玻璃盤5所在的軸通過所述同步帶3連接，所述電機(jī)2的軸與玻璃盤5所在的軸相互平行，電機(jī)2的運(yùn)動(dòng)通過同步帶3傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)固定平臺(tái)上玻璃盤5所在的軸運(yùn)動(dòng)，玻璃盤5被電機(jī)2帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，玻璃盤5的下方鍍有半反半透膜6，所述半反半透膜6的材料是金屬鉻，所述杠桿9通過螺栓固定在玻璃盤5左側(cè)的固定平臺(tái)4上，杠桿9在測(cè)試過程中保持位置不變，所述油槽8安裝在杠桿9的右端，且油槽8位于玻璃盤5左側(cè)的下方，所述半反半透膜6與鋼球7在杠桿9的作用下構(gòu)成點(diǎn)接觸的摩擦畐O，所述油槽8內(nèi)設(shè)有鋼球7、微型軸承和潤(rùn)滑劑，鋼球7部分浸泡在潤(rùn)滑劑中且鋼球7通過所述微型軸承三點(diǎn)支撐在油槽中，所述潤(rùn)滑劑為潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂，可由玻璃盤5與鋼球7之間的摩擦力帶動(dòng)鋼球7自由轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼球7轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)攜帶潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂進(jìn)入摩擦副接觸區(qū)，形成潤(rùn)滑膜。所述杠桿9的左端安裝有載荷，通過調(diào)節(jié)所述載荷的位置和大小，可獲得摩擦副不同大小的載荷，所述電機(jī)2還連接有調(diào)速裝置1，通過調(diào)節(jié)調(diào)速裝置I可獲得摩擦副間連續(xù)變化的滾動(dòng)速度，所述微動(dòng)支架10安裝在固定平臺(tái)4的左側(cè)，所述微動(dòng)支架10上安裝有顯微鏡11，顯微鏡11上安裝有工業(yè)相機(jī)13，工業(yè)相機(jī)13與顯微鏡11通過標(biāo)準(zhǔn)C接口進(jìn)行連接，所述顯微鏡11還通過光纖16連接有鹵素?zé)?5，所述顯微鏡11、工業(yè)相機(jī)13、光纖16和鹵素?zé)?5組成的光路中設(shè)有濾光片12，所述工業(yè)相機(jī)13還通過數(shù)據(jù)線連接有計(jì)算機(jī)14。
[0021]采用鹵素?zé)?5作為光源產(chǎn)生白光，光線通過光纖導(dǎo)入到顯微鏡11中；在光路中設(shè)置濾光片12，白光經(jīng)濾光片12過濾后得到單色光，濾光片12是可以更換的，光線進(jìn)入顯微鏡11后，被顯微鏡11內(nèi)置分光鏡反射后垂直入射至玻璃盤5和鋼球7，部分光線被玻璃盤5下方的半反半透膜6所反射，部分透過半反半透膜6，被鋼球7的光潔表面所反射，兩束反射光線的強(qiáng)度基本一致，滿足相干光的條件，形成了光干涉的現(xiàn)象，干涉條紋清晰度好，并且在可見光范圍內(nèi)鍍膜對(duì)所有波長(zhǎng)的光有幾乎一致的光學(xué)特性；鋼球7有很好的表面光潔度，使得光線經(jīng)鋼球7反射后得到盡量多的光線，通過調(diào)節(jié)微動(dòng)支架10，可以精確調(diào)整顯微鏡11及工業(yè)相機(jī)13的上下、左右、前后位置及傾斜的角度，可使得顯微鏡11和工業(yè)相機(jī)13的視野正對(duì)摩擦副接觸區(qū)并獲得清晰的光干涉圖像，通過在光路中設(shè)置濾光片12，在光路中可獲得濾光片12相應(yīng)中心波長(zhǎng)的單色光的干涉圖像，光干涉圖像由工業(yè)相機(jī)13通過數(shù)據(jù)線傳送到計(jì)算機(jī)14進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，也可以保存成圖片或者視頻，計(jì)算機(jī)14能將圖像保存成圖片或者連續(xù)變化的視頻，干涉圖像在計(jì)算機(jī)14內(nèi)被轉(zhuǎn)化為灰度圖像，每個(gè)像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)物理位置的光強(qiáng)信息與該像素點(diǎn)的灰度值對(duì)應(yīng)，干涉圖像所對(duì)應(yīng)的實(shí)際測(cè)量區(qū)域大小在測(cè)量前通過帶微小刻度的、已知刻度間距的微尺來標(biāo)定；工業(yè)相機(jī)13對(duì)不同的波長(zhǎng)有不同的響應(yīng)性能，選取波長(zhǎng)時(shí)以響應(yīng)幅度最大波長(zhǎng)為中心，在左右再選取其他波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量；工業(yè)相機(jī)13拍攝圖像時(shí)，通過計(jì)算機(jī)14設(shè)置統(tǒng)一的曝光時(shí)間和增益，顯微鏡11的對(duì)焦點(diǎn)以中間波長(zhǎng)的光的清晰圖像位置為對(duì)焦點(diǎn)保持不變，計(jì)算機(jī)14經(jīng)過對(duì)干涉圖像所包含的條紋的標(biāo)定、分析和計(jì)算，測(cè)量出接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度的大小。
[0022]所述多波長(zhǎng)光干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的裝置的測(cè)量方法，具體步驟如下:
1)輕載情況下使玻璃盤5和鋼球7剛好接觸，靜止?fàn)顟B(tài)下分別用三種波長(zhǎng)測(cè)量和記錄三種波長(zhǎng)的牛頓環(huán)；
2)分析和記錄三種波長(zhǎng)的牛頓環(huán)的中心光強(qiáng)和各