一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置及其测量方法.pdf

本发明公开了一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，包括固定平台、电机、同步带、玻璃盘、油槽、杠杆和微动支架，电机的轴与玻璃盘所在的轴通过所述同步带连接，玻璃盘的下方镀有半反半透膜，油槽安装在杠杆的右端，半反半透膜与钢球在杠杆的作用下构成点接触的摩擦副，油槽内设有钢球、微型轴承和润滑剂，钢球部分浸泡在润滑剂中且钢球被所述微型轴承三点支撑，杠杆的左端安装有载荷。本发明无需动态标定光干涉图像中条纹的干涉级次、对设备动态性能要求低，实施方便，综合利用了不同波长单色光在不同膜厚大小处分辨率不同的特点，使得在整个测量范围内有较高分辨率和精度，采用的波长数越多则测量越准确，提高了测量精度。

1.   一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，包括固定平台（4）、电机（2）、同步带（3）、玻璃盘（5）、油槽（8）、杠杆（9）和微动支架（10），其特征在于，所述电机（2）、玻璃盘（5）、油槽（8）和杠杆（9）均安装在固定平台（4）上，所述电机（2）位于玻璃盘（5）的右侧，电机（2）的轴和玻璃盘（5）所在的轴均向下穿过固定平台（4），且电机（2）的轴与玻璃盘（5）所在的轴通过所述同步带（3）连接，玻璃盘（5）的下方镀有半反半透膜（6），所述杠杆（9）通过螺栓固定在玻璃盘（5）左侧的固定平台（4）上，所述油槽（8）安装在杠杆（9）的右端，且油槽（8）位于玻璃盘（5）左侧的下方，所述半反半透膜（6）与钢球（7）构成点接触的摩擦副，所述油槽（8）内设有钢球（7）、微型轴承和润滑剂，钢球（7）部分浸泡在润滑剂中且钢球（7）通过所述微型轴承三点支撑在油槽（8）中，所述杠杆（9）的左端安装有载荷，所述电机（2）还连接有调速装置（1），所述微动支架（10）安装在固定平台（4）的左侧，所述微动支架（10）上安装有显微镜（11），显微镜（11）上安装有工业相机（13），所述显微镜（11）还通过光纤（16）连接有卤素灯（15），所述显微镜（11）、工业相机（13）、光纤（16）和卤素灯（15）组成的光路中设有滤光片（12），所述工业相机（13）还通过数据线连接有计算机（14）。

2.  根据权利要求1所述的多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，其特征在于，所述电机（2）的轴与玻璃盘（5）所在的轴相互平行。

3.  根据权利要求1所述的多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，其特征在于，所述半反半透膜（6）的材料是金属铬。

4.  根据权利要求1所述的多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，其特征在于，所述润滑剂为润滑油或润滑脂。

5.  根据权利要求1所述的多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，其特征在于，所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置在测量时至少采用两种以上中心波长的滤光片（12）。

6.  一种如权利要求1-5任一所述的多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）轻载情况下使玻璃盘（5）和钢球（7）刚好接触，静止状态下分别用三种波长测量和记录三种波长的牛顿环；
2）分析和记录三种波长的牛顿环的中心光强和各干涉级次的最大、最小光强，根据极值光强及周期标定每一波长的膜厚-光强曲线；
3）分别测量目标工况下三种波长的干涉图像，记录图像，提取中心膜厚处的光强值，在步骤2）中各波长的标定曲线上相应找出可能的膜厚；
4）分析和比较三种波长干涉图像在测量点的膜厚值，计算标准差，选取标准差小的对应级次作为中心膜厚处的实际干涉级次，此时的膜厚的加权平均为中心膜厚；
5）根据相邻干涉条纹的级次关系计算出图像其他处的膜厚，最终得到完整的膜厚形状和尺寸。

一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及摩擦副接触区的润滑膜厚度测量技术领域，具体是一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置及其测量方法。
背景技术
控制摩擦减少磨损、改善润滑性能是节约能源和材料、延长机械设备使用寿命和提高可靠性的重要措施。长期以来，人们一直认为，如果滚动轴承设计合理且润滑良好，则滚动表面可以被润滑膜隔开，处于弹性流体动力润滑状态，低速条件或者重载条件下则可能处于薄膜润滑或边界润滑状态，润滑膜变薄，摩擦系数增大。寿命试验已经证实润滑油厚度对疲劳寿命有显著影响。
点、线接触的弹性流体动力润滑发生在毫米级的微小区域内，润滑膜厚度则仅为微米级甚至纳米级。要求对出现在如此微小区域内的复杂润滑现象进行测试和测量，在技术上是非常困难的。普通的机械量测试方法已经不再适用，而须采用专门的测试技术。
光干涉法是目前最为精确，最广泛使用的测量润滑膜厚度的方法之一。测量的基本原理是，通过光线入射球盘接触区得到干涉图像，分析图像中的干涉条纹从而得知接触区的润滑膜厚度。一般都在接触区的玻璃盘一侧镀有半反半透膜使得干涉条纹更加清晰，有时还可以再附加一层硅膜作为垫层，从而实现更加薄的润滑膜厚度的测量，如边界润滑或薄膜润滑状态下润滑膜厚度的测量。对干涉图像条纹的处理，若是白光干涉，则比较待测量膜厚干涉图像和已知几何形状的干涉图像的HSI或者RGB信息，从而获得待测膜厚形状和尺寸；若是单色光干涉，则提取图像灰度信息作为光强值，基于相对光强原理，利用光强极值将测量点的光强归一化为[-1，1]范围内的相对光强，将外界光强干扰及其他光学系统的影响归结为零膜厚时的相对光强标定，根据膜厚与单色光波长、干涉级次之间的关系计算出膜厚值，此基于相对光强原理的光干涉法减少了测量误差。光干涉测量润滑膜厚度的灵敏度很高，一般可以达到纳米级，可测量亚微米甚至纳米级的润滑膜厚度。白光干涉测量膜厚必须通过计算机特定算法及软件去除人眼分辨色彩寻找相应膜厚的主观性误差；单色光干涉更容易获取更清晰、干涉级次更多的条纹，比白光干涉可测量的膜厚范围大，计算和分析比较简单，但是一般需要动态标定干涉级次，对设备要求动态性能要求高，标定复杂和困难，并且因为图像只包含灰度信息，测量准确性没有白光干涉的高。
因此，现有单色光干涉测量润滑膜厚度的技术尚有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需动态标定干涉级次、实施方便的多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置及其测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，包括固定平台、电机、同步带、玻璃盘、油槽、杠杆和微动支架，所述电机、玻璃盘、油槽和杠杆均安装在固定平台上，所述电机位于玻璃盘的右侧，电机的轴和玻璃盘所在的轴均向下穿过固定平台，且电机的轴与玻璃盘所在的轴通过所述同步带连接，玻璃盘的下方镀有半反半透膜，所述杠杆通过螺栓固定在玻璃盘左侧的固定平台上，所述油槽安装在杠杆的右端，且油槽位于玻璃盘左侧的下方，所述半反半透膜与钢球构成点接触的摩擦副，所述油槽内设有钢球、微型轴承和润滑剂，钢球部分浸泡在润滑剂中且钢球通过所述微型轴承三点支撑在油槽中，所述杠杆的左端安装有载荷，所述电机还连接有调速装置，所述微动支架安装在固定平台的左侧，所述微动支架上安装有显微镜，显微镜上安装有工业相机，所述显微镜还通过光纤连接有卤素灯，所述显微镜、工业相机、光纤和卤素灯组成的光路中设有滤光片，所述工业相机还通过数据线连接有计算机。
作为本发明进一步的方案：所述电机的轴与玻璃盘所在的轴相互平行。
作为本发明进一步的方案：所述半反半透膜的材料是金属铬。
作为本发明进一步的方案：所述润滑剂为润滑油或润滑脂。
作为本发明再进一步的方案：所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置在测量时至少采用两种以上中心波长的滤光片。
所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置的测量方法，具体步骤如下：
1）轻载情况下使玻璃盘和钢球刚好接触，静止状态下分别用三种波长测量和记录三种波长的牛顿环；
2）分析和记录三种波长的牛顿环的中心光强和各干涉级次的最大、最小光强，根据极值光强及周期标定每一波长的膜厚-光强曲线；
3）分别测量目标工况下三种波长的干涉图像，记录图像，提取中心膜厚处的光强值，在步骤2）中各波长的标定曲线上相应找出可能的膜厚；
4）分析和比较三种波长干涉图像在测量点的膜厚值，计算标准差，选取标准差小的对应级次作为中心膜厚处的实际干涉级次，此时的膜厚的加权平均为中心膜厚；
5）根据相邻干涉条纹的级次关系计算出图像其他处的膜厚，最终得到完整的膜厚形状和尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明无需动态标定光干涉图像中条纹的干涉级次、对设备动态性能要求低，实施方便，综合利用了不同波长单色光在不同膜厚大小处分辨率不同的特点，使得在整个测量范围内有较高分辨率和精度，采用的波长数越多则测量越准确，相比白光干涉测量方法计算和分析较简单，相比传统单一波长的单色光干涉测量方法则降低了设备制造及控制精度对测量误差的影响，提高了测量精度，是进行油品性能测试和润滑机制研究的有效手段和措施。
附图说明
图1是本发明中多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置的结构示意图。
图2是本发明中多波长光干涉测量润滑膜厚度的方法实施方式中的膜厚-光强曲线。
图3是本发明中多波长光干涉测量润滑膜厚度的方法实施方式中的膜厚-光强分辨率曲线。
图中：1-调速装置；2-电机；3-同步带；4-固定平台；5-玻璃盘；6-半反半透膜；7-钢球；8-油槽；9-杠杆；10-微动支架；11-显微镜；12-滤光片；13-工业相机；14-计算机；15-卤素灯；16-光纤。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-3，一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置，包括固定平台4、电机2、同步带3、玻璃盘5、油槽8、杠杆9和微动支架10，所述电机2、玻璃盘5、油槽8和杠杆9均安装在固定平台4上，所述电机2位于玻璃盘5的右侧，电机2的轴和玻璃盘5所在的轴均向下穿过固定平台4，且电机2的轴与玻璃盘5所在的轴通过所述同步带3连接，所述电机2的轴与玻璃盘5所在的轴相互平行，电机2的运动通过同步带3传动减速后，带动固定平台上玻璃盘5所在的轴运动，玻璃盘5被电机2带动转动，玻璃盘5的下方镀有半反半透膜6，所述半反半透膜6的材料是金属铬，所述杠杆9通过螺栓固定在玻璃盘5左侧的固定平台4上，杠杆9在测试过程中保持位置不变，所述油槽8安装在杠杆9的右端，且油槽8位于玻璃盘5左侧的下方，所述半反半透膜6与钢球7在杠杆9的作用下构成点接触的摩擦副，所述油槽8内设有钢球7、微型轴承和润滑剂，钢球7部分浸泡在润滑剂中且钢球7通过所述微型轴承三点支撑在油槽中，所述润滑剂为润滑油或润滑脂，可由玻璃盘5与钢球7之间的摩擦力带动钢球7自由转动，钢球7转动的同时携带润滑油或润滑脂进入摩擦副接触区，形成润滑膜。所述杠杆9的左端安装有载荷，通过调节所述载荷的位置和大小，可获得摩擦副不同大小的载荷，所述电机2还连接有调速装置1，通过调节调速装置1可获得摩擦副间连续变化的滚动速度，所述微动支架10安装在固定平台4的左侧，所述微动支架10上安装有显微镜11，显微镜11上安装有工业相机13，工业相机13与显微镜11通过标准C接口进行连接，所述显微镜11还通过光纤16连接有卤素灯15，所述显微镜11、工业相机13、光纤16和卤素灯15组成的光路中设有滤光片12，所述工业相机13还通过数据线连接有计算机14。
采用卤素灯15作为光源产生白光，光线通过光纤导入到显微镜11中；在光路中设置滤光片12，白光经滤光片12过滤后得到单色光，滤光片12是可以更换的，光线进入显微镜11后，被显微镜11内置分光镜反射后垂直入射至玻璃盘5和钢球7，部分光线被玻璃盘5下方的半反半透膜6所反射，部分透过半反半透膜6，被钢球7的光洁表面所反射，两束反射光线的强度基本一致，满足相干光的条件，形成了光干涉的现象，干涉条纹清晰度好，并且在可见光范围内镀膜对所有波长的光有几乎一致的光学特性；钢球7有很好的表面光洁度，使得光线经钢球7反射后得到尽量多的光线，通过调节微动支架10，可以精确调整显微镜11及工业相机13的上下、左右、前后位置及倾斜的角度，可使得显微镜11和工业相机13的视野正对摩擦副接触区并获得清晰的光干涉图像，通过在光路中设置滤光片12，在光路中可获得滤光片12相应中心波长的单色光的干涉图像，光干涉图像由工业相机13通过数据线传送到计算机14进行实时观察，也可以保存成图片或者视频，计算机14能将图像保存成图片或者连续变化的视频，干涉图像在计算机14内被转化为灰度图像，每个像素点所对应物理位置的光强信息与该像素点的灰度值对应，干涉图像所对应的实际测量区域大小在测量前通过带微小刻度的、已知刻度间距的微尺来标定；工业相机13对不同的波长有不同的响应性能，选取波长时以响应幅度最大波长为中心，在左右再选取其他波长进行测量；工业相机13拍摄图像时，通过计算机14设置统一的曝光时间和增益，显微镜11的对焦点以中间波长的光的清晰图像位置为对焦点保持不变，计算机14经过对干涉图像所包含的条纹的标定、分析和计算，测量出接触区的润滑膜厚度的大小。
所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置的测量方法，具体步骤如下：
1）轻载情况下使玻璃盘5和钢球7刚好接触，静止状态下分别用三种波长测量和记录三种波长的牛顿环；
2）分析和记录三种波长的牛顿环的中心光强和各干涉级次的最大、最小光强，根据极值光强及周期标定每一波长的膜厚-光强曲线；
3）分别测量目标工况下三种波长的干涉图像，记录图像，提取中心膜厚处的光强值，在步骤2）中各波长的标定曲线上相应找出可能的膜厚；
4）分析和比较三种波长干涉图像在测量点的膜厚值，计算标准差，选取标准差小的对应级次作为中心膜厚处的实际干涉级次，此时的膜厚的加权平均为中心膜厚；
5）根据相邻干涉条纹的级次关系计算出图像其他处的膜厚，最终得到完整的膜厚形状和尺寸。
所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置在测量前标定零膜厚时的干涉图像中牛顿环各干涉级次的光强极值，以及干涉零级即中心膜厚的光强初值；根据零膜厚时标定的各个光强极值及光强初值、波长值，在同一坐标系中作出膜厚-光强曲线；作上述膜厚-光强曲线的基本方法是，固定曲线周期，变化曲线阻尼系数使得标定结果的极值点与实验中的极值点的均方差最小，在同一坐标系的多条膜厚-光强曲线中，将待测量膜厚点的光强值做光强等值线，分别与相应曲线有多个交点，取出这些交点横坐标值即为待测量点可能的膜厚值；将这些交点按次序分为多组交点，比较各组交点的标准差，标准差小的为最接近真实膜厚的测量值，不同波长的光在相同的膜厚值处的光强分辨率是不同的，各自的膜厚-光强分辨率曲线是连续变化的，在干涉相消点和干涉相长点也就是曲线的波峰和波谷处的光强分辨率最差，而在波峰波谷之间的点则有很好的分辨率；进一步提高测量准确性的措施是，分析各波长的光强分辨率随膜厚变化的情况，作出膜厚-光强分辨率曲线，根据当前待测量膜厚点的光强分辨率，将多种波长的膜厚测量值作加强平均作为最终的膜厚测量值，当前光强分辨率高的权重大，光强分辨率小的权重小；同时确定的还有待测量膜厚点的光干涉级次，根据相邻干涉条纹的级次关系计算出图像其他地方的膜厚，最终得到完整的润滑膜形状和尺寸。
所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置在测量时至少采用两种以上中心波长的滤光片12，即两种以上的单色光，并且采用的波长数越多，则测量越准确；各种波长在可见光范围内选取，有一定的差异性，相互差别在50nm以上；使用的滤光片12的带宽及相干长度满足弹性流体动力润滑的润滑膜厚度范围0.1～1μm。
所述多波长光干涉测量润滑膜厚度的装置拍摄到的光干涉图像中的条纹反映了膜厚的形状，处于同一条纹上的测量点具有相同的干涉级次和润滑膜厚度；光干涉图像中的灰度信息反映了光干涉现象的光强信息，亮条纹的地方为干涉相长，暗条纹的地方为干涉相消。另外再标定干涉条纹的级次，可根据润滑膜厚度与光程差的关系，以及其他参数，如波长、润滑剂折射率等计算出该测量点的润滑膜厚度。
请参阅图2，分别使用600nm、532nm和470nm的三种中心波长的滤光片12时，所标定的一共三条对应的膜厚-光强曲线，横坐标为膜厚h，纵坐标为光强I；标定膜厚-光强曲线的时候，标定主要依据的参数为零膜厚时光干涉图像牛顿环中心的灰度值和各干涉级的灰度极值，并且设置曲线的衰减系数使得标定曲线的光强初值、光强极值与标定依据的参数间均方差最小；当膜厚h增大时，光干涉的光程差同步增大并且逐步接近滤光片过滤后的单色光的相干长度，曲线的极大值和极小值差别逐渐变小，曲线振幅逐渐变小；工业相机13对600nm波长的单色光响应强度最强，对470nm波长的单色光响应强度最弱，依次反映在曲线的平均振幅上。
在标定的膜厚-光强曲线中寻找待测量膜厚点的真实膜厚的方法，根据待测量膜厚点在三种波长的单色光干涉图像中的灰度值，分别作I₁、I₂、I₃三条光强等值线，并且与各自曲线相交；I₁光强等值线与600nm单色光的膜厚-光强曲线依次有h₁(0)、h₁(1)交点，I₂光强等值线与532nm单色光的膜厚-光强曲线依次有h₂(0)、h₂(1)交点，I₃光强等值线与470nm单色光的膜厚-光强曲线依次有h₃(0)、h₃(1)、h₃(2)、h₃(3)、h₃(4)、h₃(5)多个交点，这些交点的横坐标为在三种波长单色光干涉图像中待测量膜厚点的灰度值所可能对应的膜厚值；图2中的交点分为两组，分别是第0组：h₁(0)、h₂(0)、h₃(0)，第1组：h₁(1)、h₂(1)、h₃(1)；观察得知第0组交点对应的横坐标即膜厚值较分散，第0组交点对应的横坐标即膜厚值较集中，经计算第1组交点的膜厚值标准差也比第0组交点的膜厚值标准差小，认为第1组交点的膜厚值是接近真实膜厚的测量值。所述一种多波长光干涉测量润滑膜厚度的方法的实施例中，只有三条曲线上的交点对应同一膜厚值或接近于同一膜厚值时，才认为该组膜厚值为接近真实膜厚的测量值，采用的波长数越多则判断越快速、越准确。
请参阅图3，三条曲线分别为600nm、532nm和470nm波长单色光的膜厚-光强分辨率曲线，横坐标为膜厚h，纵坐标为光强分辨率R；从图形中得知，光强分辨率R是随着膜厚h变化而变化的，在膜厚-光强曲线的波谷和波峰处，光强分辨率R最小，而在波谷和波峰之间的地方，则有较高的光强分辨率R；从图形中还得知，虽然600nm波长的平均光强分辨率最高，但对某一膜厚值来说并不总是600nm波长的光强分辨率最高，不同波长单色光的膜厚-光强曲线的周期不同，出现波谷、波峰的地方也不同，因此三种波长的单色光不能同时拥有较高的光强分辨率R；进一步提高测量准确性的措施是，根据图2接近真实膜厚的测量值及图3接近真实膜厚的测量值处的光强分辨率R，作三种波长测量值的加权平均，分辨率高的权重高，分辨率低的权值低，此加权平均值为待测量膜厚点的最终测量值。
本发明无需动态标定光干涉图像中条纹的干涉级次、对设备动态性能要求低，实施方便，综合利用了不同波长单色光在不同膜厚大小处分辨率不同的特点，使得在整个测量范围内有较高分辨率和精度，采用的波长数越多则测量越准确，相比白光干涉测量方法计算和分析较简单，相比传统单一波长的单色光干涉测量方法则降低了设备制造及控制精度对测量误差的影响，提高了测量精度，是进行油品性能测试和润滑机制研究的有效手段和措施。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。