一種微小力值的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于微小力標(biāo)定與測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微小力值的測(cè)量方法。
技術(shù)背景:
[0002]微小力測(cè)試測(cè)量技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、納米材料和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微電子機(jī)械系統(tǒng))等多個(gè)領(lǐng)域。比如在MEMS器件的應(yīng)用中，隨著器件尺寸的減小，表面效應(yīng)顯著，表面力對(duì)器件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響明顯，這就需要對(duì)微弱的表面力進(jìn)行表征。另外，摩擦作用廣泛存在于宏觀和微觀尺度的相互接觸且有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的物體之間，微納尺度的摩擦行為的表征對(duì)于揭示摩擦機(jī)理意義重大，而這也需要對(duì)微小的摩擦力和法向力進(jìn)行測(cè)量。
[0003]中國(guó)專利(公開號(hào)為CN103389174B)公布了一項(xiàng)名為微力測(cè)量裝置的技術(shù)發(fā)明，本發(fā)明的微力測(cè)量裝置包括不等臂天平、力值復(fù)現(xiàn)裝置、微位移測(cè)量裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；不等臂天平的長(zhǎng)臂端部設(shè)置有托盤，短臂端部設(shè)置有邊刀結(jié)構(gòu)，邊刀結(jié)構(gòu)通過力值復(fù)現(xiàn)裝置與微位移測(cè)量裝置連接;微位移測(cè)量裝置的輸出端通過連接套與絕緣桿連接，絕緣桿與力值復(fù)現(xiàn)裝置的內(nèi)電極上端蓋的螺紋孔連接。該發(fā)明通過測(cè)量電容器兩極間的電壓來獲得施加在托盤上的力值。從描述可知，該方法及裝置比較復(fù)雜，而且調(diào)節(jié)兩極間的電壓會(huì)降低測(cè)量的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種微小力值的測(cè)量方法，可以滿足高分辨率、高速微小力值的在線測(cè)量。
[0005]本發(fā)明提出的一種微小力值的測(cè)量方法，具體包括以下步驟:
[0006]1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會(huì)在液體表面形成凹液面；
[0007]2)液面上部放置光源，光源發(fā)出的光線在托盤邊緣的凹液面處發(fā)生折射后進(jìn)入液體，在光線的作用下，托盤會(huì)在容器底部形成陰影；
[0008]3)標(biāo)定:在托盤上放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼，容器底部的陰影面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)連續(xù)拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，通過圖像分析技術(shù)計(jì)算出陰影面積變化，與所加砝碼重量進(jìn)行擬合:y = ax+b，其中y表示陰影部分增加的面積，X表示通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機(jī)高度有關(guān)的參數(shù)；
[0009]4)測(cè)量:對(duì)托盤施加未知法向力XQ，容器底部的陰影面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)連續(xù)拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)處理，將面積的變化值yo代入步驟3)中標(biāo)定的關(guān)系式中，即xo=( yo-b) /a，得到所施加力的值xo。
[0010]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果:①本發(fā)明通過計(jì)算陰影面積變化測(cè)量微小力值的方法，能夠在線實(shí)時(shí)計(jì)算所施加的外力;②本方法的測(cè)力分辨率由使用的攝像機(jī)的分辨率決定，提高攝像機(jī)的分辨率可以將測(cè)力分辨率提高至皮牛和納牛量級(jí);③本方法的力值測(cè)量速度由攝像機(jī)的幀率決定，提高攝像機(jī)的幀率可以提高測(cè)力的速度;④本方法操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小力的高分辨率、高速的測(cè)量。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明提供的一種微小力值測(cè)量方法所用裝置的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明在聚四氟乙烯薄片作為托盤，水作為透明液體，光源為點(diǎn)光源時(shí)所施加的法向載荷與陰影面積變化的關(guān)系曲線。
[0013]圖中:1-光源；2-微小法向力F;3-容器;4-托盤;5_是攝像;6_是透明液體;7_凹液面;8-容器底部的陰影。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步的說明。
[0015]圖1為本發(fā)明提供的一種微小力值測(cè)量方法所用裝置的結(jié)構(gòu)及原理示意圖，其具體包括光源1、托盤4、裝有透明液體的容器3和攝像機(jī)5，托盤4為圓形、方形、三角形或其它任意形狀的薄片或者細(xì)長(zhǎng)桿等能穩(wěn)定地浮在透明液體表面的結(jié)構(gòu)，宜采用疏水材料制作。所述的透明液體可以是水、酒精、甘油或離子液體等透光性良好的液體;攝像機(jī)應(yīng)采用高速攝像機(jī)，其具體測(cè)量步驟包括:
[0016]1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會(huì)在液體表面形成凹液面；
[0017]2)液面上部放置光源，光源發(fā)出的光線在托盤邊緣的凹液面處發(fā)生折射后進(jìn)入液體，在光線的作用下，托盤會(huì)在容器底部形成陰影；
[0018]3)標(biāo)定:在托盤上放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼，容器底部的陰影面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)連續(xù)拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，通過圖像分析技術(shù)計(jì)算出陰影面積變化，與所加砝碼重量進(jìn)行擬合:y = ax+b，其中y表示陰影部分增加的面積，X表示通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機(jī)高度有關(guān)的參數(shù)；
[0019]4)測(cè)量:對(duì)托盤施加未知法向力xo，容器底部的陰影面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)連續(xù)拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)處理，將面積的變化值yo代入步驟3)中標(biāo)定的關(guān)系式中xo = (yo-b) /a，得到所施加力的值xo。
[0020]實(shí)施例:
[0021]以直徑為12mm、厚度為0.2mm的聚四氟乙烯薄片作為托盤，水作為透明液體，光源為點(diǎn)光源(水深10mm，光源距離水面500mm，攝像機(jī)鏡頭距離容器底部500mm)為例，將托盤4放置于裝有水的容器3中，在重力和表面張力的作用下，托盤4會(huì)在水表面形成凹液面;在水面上部放置光源1，光源1發(fā)出的光線照向托盤4，并在所形成的的凹液面7處發(fā)生折射，在光線的作用下，托盤4會(huì)在容器3底部形成陰影8;通過放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)托盤4施加載荷2，容器3底部陰影的8面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)5拍攝陰影的面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，用MATLAB軟件計(jì)算出容器底部的陰影8的面積變化，與所加砝碼重量關(guān)系進(jìn)行擬合:y =2874.6x+20314，其中y表示陰影部分增加的面積(用像素點(diǎn)pix的數(shù)目表示)，x表示通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)托盤4施加的法向力，系數(shù)2874.6、20314是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機(jī)高度有關(guān)的參數(shù)，如圖2所示，圖中數(shù)據(jù)線性度很好；
[0022]根據(jù)圖2中的線性關(guān)系:x=(y-20314)/2874.6，當(dāng)攝像機(jī)5可以分辨20500pix的陰影面積變化時(shí)(y = 20500)，X = 64.7，S卩可測(cè)得大約60nN的法向載荷值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微小力值的測(cè)量方法，所述方法包括以下步驟: 1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會(huì)在液體表面形成凹液面； 2)在液面上部放置光源，光源發(fā)出的光線會(huì)在托盤邊緣的凹液面處發(fā)生折射后進(jìn)入液體，在光線的作用下，托盤會(huì)在容器底部形成陰影； 3)標(biāo)定:在托盤上放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼，容器底部的陰影面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)連續(xù)拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，通過圖像分析技術(shù)計(jì)算出陰影面積的變化，得到法向載荷與陰影面積變化的標(biāo)定關(guān)系曲線:y = ax+b，其中y表示陰影面積的變化值，X表示通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機(jī)尚度有關(guān)的參數(shù)； 4)測(cè)量:對(duì)托盤施加未知法向力xo，容器底部的陰影面積會(huì)增加，使用攝像機(jī)連續(xù)拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)處理，將陰影面積的變化值yo代入步驟3)中標(biāo)定的關(guān)系中，即xq = (yo-b)/a，測(cè)得所施加力的微小力值xo。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小力值的測(cè)量方法，其特征在于:所述的透明液體為透光性好的水、酒精、甘油或離子液體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小力值的測(cè)量方法，其特征在于:所述的托盤采用疏水材料做成的薄片，或能夠穩(wěn)定浮在透明液體表面的細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種微小力值的測(cè)量方法，屬于微小力標(biāo)定與測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該方法具體涉及光源、容器、托盤、透明液體和攝像機(jī)；透明液體可采用水、酒精、甘油或其它透光性比較好的液體。其具體步驟是將托盤置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，使液體表面形成凹液面；在液面上部放置光源，光線在托盤邊緣的凹液面處發(fā)生折射后進(jìn)入液體，在光線的作用下，托盤會(huì)在容器底部形成陰影；給托盤施加微小法向力，陰影部分面積會(huì)變化，使用攝像機(jī)拍攝陰影面積的變化，通過圖像分析技術(shù)計(jì)算出陰影面積的變化，根據(jù)標(biāo)定關(guān)系即測(cè)得所施加力的微小力值。本方法操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小力的高分辨率、高速的測(cè)量。
【IPC分類】G01L11/02
【公開號(hào)】CN105444940
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510824353
【發(fā)明人】田煜, 鄭葉龍, 魯鴻宇, 陶大帥, 尹維
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月24日