一種多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置及其測量方法
【專利說明】一種多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置及其測量方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及摩擦副接觸區(qū)的潤滑膜厚度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0003]控制摩擦減少磨損、改善潤滑性能是節(jié)約能源和材料、延長機械設(shè)備使用壽命和提高可靠性的重要措施。長期以來，人們一直認為，如果滾動軸承設(shè)計合理且潤滑良好，則滾動表面可以被潤滑膜隔開，處于彈性流體動力潤滑狀態(tài)，低速條件或者重載條件下則可能處于薄膜潤滑或邊界潤滑狀態(tài)，潤滑膜變薄，摩擦系數(shù)增大。壽命試驗已經(jīng)證實潤滑油厚度對疲勞壽命有顯著影響。
[0004]點、線接觸的彈性流體動力潤滑發(fā)生在毫米級的微小區(qū)域內(nèi)，潤滑膜厚度則僅為微米級甚至納米級。要求對出現(xiàn)在如此微小區(qū)域內(nèi)的復雜潤滑現(xiàn)象進行測試和測量，在技術(shù)上是非常困難的。普通的機械量測試方法已經(jīng)不再適用，而須采用專門的測試技術(shù)。
[0005]光干涉法是目前最為精確，最廣泛使用的測量潤滑膜厚度的方法之一。測量的基本原理是，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，有時還可以再附加一層硅膜作為墊層，從而實現(xiàn)更加薄的潤滑膜厚度的測量，如邊界潤滑或薄膜潤滑狀態(tài)下潤滑膜厚度的測量。對干涉圖像條紋的處理，若是白光干涉，則比較待測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值，基于相對光強原理，利用光強極值將測量點的光強歸一化為[_1，1]范圍內(nèi)的相對光強，將外界光強干擾及其他光學系統(tǒng)的影響歸結(jié)為零膜厚時的相對光強標定，根據(jù)膜厚與單色光波長、干涉級次之間的關(guān)系計算出膜厚值，此基于相對光強原理的光干涉法減少了測量誤差。光干涉測量潤滑膜厚度的靈敏度很高，一般可以達到納米級，可測量亞微米甚至納米級的潤滑膜厚度。白光干涉測量膜厚必須通過計算機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、干涉級次更多的條紋，比白光干涉可測量的膜厚范圍大，計算和分析比較簡單，但是一般需要動態(tài)標定干涉級次，對設(shè)備要求動態(tài)性能要求高，標定復雜和困難，并且因為圖像只包含灰度信息，測量準確性沒有白光干涉的高。
[0006]因此，現(xiàn)有單色光干涉測量潤滑膜厚度的技術(shù)尚有待改進和發(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態(tài)標定干涉級次、實施方便的多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置及其測量方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案: 一種多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置，包括固定平臺、電機、同步帶、玻璃盤、油槽、杠桿和微動支架，所述電機、玻璃盤、油槽和杠桿均安裝在固定平臺上，所述電機位于玻璃盤的右側(cè)，電機的軸和玻璃盤所在的軸均向下穿過固定平臺，且電機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)成點接觸的摩擦副，所述油槽內(nèi)設(shè)有鋼球、微型軸承和潤滑劑，鋼球部分浸泡在潤滑劑中且鋼球通過所述微型軸承三點支撐在油槽中，所述杠桿的左端安裝有載荷，所述電機還連接有調(diào)速裝置，所述微動支架安裝在固定平臺的左側(cè)，所述微動支架上安裝有顯微鏡，顯微鏡上安裝有工業(yè)相機，所述顯微鏡還通過光纖連接有鹵素燈，所述顯微鏡、工業(yè)相機、光纖和齒素燈組成的光路中設(shè)有濾光片，所述工業(yè)相機還通過數(shù)據(jù)線連接有計算機。
[0009]作為本發(fā)明進一步的方案:所述電機的軸與玻璃盤所在的軸相互平行。
[0010]作為本發(fā)明進一步的方案:所述半反半透膜的材料是金屬鉻。
[0011]作為本發(fā)明進一步的方案:所述潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。
[0012]作為本發(fā)明再進一步的方案:所述多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置在測量時至少采用兩種以上中心波長的濾光片。
[0013]所述多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置的測量方法，具體步驟如下:
1)輕載情況下使玻璃盤和鋼球剛好接觸，靜止狀態(tài)下分別用三種波長測量和記錄三種波長的牛頓環(huán)；
2)分析和記錄三種波長的牛頓環(huán)的中心光強和各干涉級次的最大、最小光強，根據(jù)極值光強及周期標定每一波長的膜厚-光強曲線；
3)分別測量目標工況下三種波長的干涉圖像，記錄圖像，提取中心膜厚處的光強值，在步驟2)中各波長的標定曲線上相應(yīng)找出可能的膜厚；
4)分析和比較三種波長干涉圖像在測量點的膜厚值，計算標準差，選取標準差小的對應(yīng)級次作為中心膜厚處的實際干涉級次，此時的膜厚的加權(quán)平均為中心膜厚；
5)根據(jù)相鄰干涉條紋的級次關(guān)系計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)明無需動態(tài)標定光干涉圖像中條紋的干涉級次、對設(shè)備動態(tài)性能要求低，實施方便，綜合利用了不同波長單色光在不同膜厚大小處分辨率不同的特點，使得在整個測量范圍內(nèi)有較高分辨率和精度，采用的波長數(shù)越多則測量越準確，相比白光干涉測量方法計算和分析較簡單，相比傳統(tǒng)單一波長的單色光干涉測量方法則降低了設(shè)備制造及控制精度對測量誤差的影響，提高了測量精度，是進行油品性能測試和潤滑機制研宄的有效手段和措施。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明中多波長光干涉測量潤滑膜厚度的方法實施方式中的膜厚-光強曲線。
[0017]圖3是本發(fā)明中多波長光干涉測量潤滑膜厚度的方法實施方式中的膜厚-光強分辨率曲線。
[0018]圖中:1-調(diào)速裝置；2_電機；3_同步帶；4_固定平臺；5_玻璃盤；6_半反半透膜；7-鋼球；8-油槽；9-杠桿；10-微動支架；11-顯微鏡；12-濾光片；13-工業(yè)相機；14_計算機；15_齒素燈；16-光纖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合【具體實施方式】對本專利的技術(shù)方案作進一步詳細地說明。
[0020]請參閱圖1-3，一種多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置，包括固定平臺4、電機
2、同步帶3、玻璃盤5、油槽8、杠桿9和微動支架10，所述電機2、玻璃盤5、油槽8和杠桿9均安裝在固定平臺4上，所述電機2位于玻璃盤5的右側(cè)，電機2的軸和玻璃盤5所在的軸均向下穿過固定平臺4，且電機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2的軸與玻璃盤5所在的軸相互平行，電機2的運動通過同步帶3傳動減速后，帶動固定平臺上玻璃盤5所在的軸運動，玻璃盤5被電機2帶動轉(zhuǎn)動，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4上，杠桿9在測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、微型軸承和潤滑劑，鋼球7部分浸泡在潤滑劑中且鋼球7通過所述微型軸承三點支撐在油槽中，所述潤滑劑為潤滑油或潤滑脂，可由玻璃盤5與鋼球7之間的摩擦力帶動鋼球7自由轉(zhuǎn)動，鋼球7轉(zhuǎn)動的同時攜帶潤滑油或潤滑脂進入摩擦副接觸區(qū)，形成潤滑膜。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)變化的滾動速度，所述微動支架10安裝在固定平臺4的左側(cè)，所述微動支架10上安裝有顯微鏡11，顯微鏡11上安裝有工業(yè)相機13，工業(yè)相機13與顯微鏡11通過標準C接口進行連接，所述顯微鏡11還通過光纖16連接有鹵素燈15，所述顯微鏡11、工業(yè)相機13、光纖16和鹵素燈15組成的光路中設(shè)有濾光片12，所述工業(yè)相機13還通過數(shù)據(jù)線連接有計算機14。
[0021]采用鹵素燈15作為光源產(chǎn)生白光，光線通過光纖導入到顯微鏡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)鍍膜對所有波長的光有幾乎一致的光學特性；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)微動支架10，可以精確調(diào)整顯微鏡11及工業(yè)相機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13的視野正對摩擦副接觸區(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)中心波長的單色光的干涉圖像，光干涉圖像由工業(yè)相機13通過數(shù)據(jù)線傳送到計算機14進行實時觀察，也可以保存成圖片或者視頻，計算機14能將圖像保存成圖片或者連續(xù)變化的視頻，干涉圖像在計算機14內(nèi)被轉(zhuǎn)化為灰度圖像，每個像素點所對應(yīng)物理位置的光強信息與該像素點的灰度值對應(yīng)，干涉圖像所對應(yīng)的實際測量區(qū)域大小在測量前通過帶微小刻度的、已知刻度間距的微尺來標定；工業(yè)相機13對不同的波長有不同的響應(yīng)性能，選取波長時以響應(yīng)幅度最大波長為中心，在左右再選取其他波長進行測量；工業(yè)相機13拍攝圖像時，通過計算機14設(shè)置統(tǒng)一的曝光時間和增益，顯微鏡11的對焦點以中間波長的光的清晰圖像位置為對焦點保持不變，計算機14經(jīng)過對干涉圖像所包含的條紋的標定、分析和計算，測量出接觸區(qū)的潤滑膜厚度的大小。
[0022]所述多波長光干涉測量潤滑膜厚度的裝置的測量方法，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，靜止狀態(tài)下分別用三種波長測量和記錄三種波長的牛頓環(huán)；
2)分析和記錄三種波長的牛頓環(huán)的中心光強和各