一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法
【专利摘要】一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法，它涉及一种光学装置及光学测量方法，具体涉及一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法。本发明为了解决目前还没有一种能够直观的观察、分析、储存接触区域真实接触面积的光学观测装置及光学测量方法的问题。本发明所述方法的具体步骤为将接触样本安装在所述夹具组件上；通过USB数据线将工业相机与计算机连接；缓慢施加压力，直至接触样本轻微接触；调整二维手动滑台使接触区域位于图像中心位置；接触力值保持20秒后保存图像，同时记录接触力值和同业相机显微镜头的放大倍数；利用图像处理程序，计算接触区域的真实接触面积。本发明用于电接触领域。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学装置及光学测量方法，具体涉及一种用于观测分析触点真实 接触面积的光学装置及光学测量方法，属于电接触领域。 一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置及光学测 量方法
【背景技术】
[0002] 真实接触面积的测量分析一直是电接触领域的重要研究方向，但以往采用的手段 是测量不透明的两个金属样本的真实接触面积，通过使用X光断层扫描技术或者超声波探 测技术，但是X光断层扫描设备昂贵，而超声波探测技术由于不可消去扫描时间的影响不 能观测真实接触面积的动态变化。目前，还没有一种能够直观的观察、分析、储存接触区域 真实接触面积的光学观测装置。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决目前还没有一种能够直观的观察、分析、储存接触区域真实接触面 积的光学观测装置及光学测量方法的问题，进而提出一种用于观测分析触点真实接触面积 的光学装置及光学测量方法。
[0004] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述装置包括手动加载机构和 图像采集系统，并排设置在工作平台上，所述手动加载机构包括样本压板、上支撑板、移动 轴、固定轴承套、微型力传感器、传感器支架、升降机构、夹具组件、底板、弹簧、两根导轨和 两个支柱，样本压板安装在上支撑板上表面的中部，上支撑板、底板由上至下依次设置，上 支撑板的下表面通过两个支柱与底板的上表面连接，两根导轨坚直设置在上支撑板与底板 之间，每根导轨的上端与上支撑板的下表面固定连接，所述升降机构安装在两根导轨的下 端，微型力传感器通过传感器支架安装在所述升降机构上，且微型力传感器位于上支撑板 下表面与所述升降机构之间，移动轴的下端插装在微型传感器上，所述夹具组件、弹簧、固 定轴承套由上至下依次套装在移动轴上，且所述夹具组件位于样本压板的正下方。
[0005] 本发明所述光学测量方法的具体步骤如下：
[0006] 步骤一、将接触样本安装在所述夹具组件上，调节工业相机显微镜头，给微型力传 感器通电；
[0007] 步骤二、通过USB数据线将工业相机与计算机连接，通过计算机观察图像，进行调 焦，将焦点调在蓝宝石平板端面附近；
[0008] 步骤三、缓慢施加压力，直至接触样本接触，重新调焦直至能够清晰的观察到接触 区域；
[0009] 步骤四、调整二维手动滑台使接触区域位于图像中心位置，调整工业相机显微镜 头放大倍数，同时不断调整光源亮度；
[0010] 步骤五、接触力值保持20秒后保存图像，同时记录接触力值和同业相机显微镜头 的放大倍数； toon] 步骤六、利用图像处理程序，综合使用滤波、小波处理、阈值判定等方法分析拍摄 的图片，然后计算接触区域的真实接触面积。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明通过高放大倍数的显微镜头及高分辨率的工业相机 观察接触界面的接触区域，并可以通过上位机对接触区域进行拍照、分析、存储。本发明结 构简单、精度较高、成本低廉，能够为接触界面在加载及加载过程中的变化提供直观的图像 和相关的分析结果。本发明中提出的方法能够最大限度的保留实际接触区域的图形特征， 减少真实接触面积在测量中的误差。本发明通过高放大倍数的显微镜头及高分辨率的工业 相机观察接触界面的接触区域，并可以通过上位机对接触区域进行拍照、分析、存储。本发 明结构简单、精度较高、成本低廉，利用图像处理算法能够有效消除噪声及接触面上孔洞的 影响，具有识别接触区域、提取接触区域边缘并计算视在接触面积及真实接触面积的功能， 能够为接触界面在加载及加载过程中的变化提供直观的图像和相关的分析结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的整体结构示意图，图2是手动加载机构的结构示意图，图3是图像 采集系统的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0014] 一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种用于观测 分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法包括手动加载机构和图像采集系统，并 排设置在工作平台上，所述手动加载机构包括样本压板1、上支撑板2、移动轴5、固定轴承 套6、微型力传感器7、传感器支架8、升降机构、夹具组件、底板16、弹簧21、两根导轨3和两 个支柱4,样本压板1安装在上支撑板2上表面的中部，上支撑板2、底板16由上至下依次 设置，上支撑板2的下表面通过两个支柱4与底板16的上表面连接，两根导轨3坚直设置 在上支撑板2与底板16之间，每根导轨3的上端与上支撑板2的下表面固定连接，所述升 降机构安装在两根导轨3的下端，微型力传感器7通过传感器支架8安装在所述升降机构 上，且微型力传感器7位于上支撑板2下表面与所述升降机构之间，移动轴5的下端插装在 微型传感器7上，所述夹具组件、弹簧21、固定轴承套6由上至下依次套装在移动轴5上，且 所述夹具组件位于样本压板1的正下方。
[0015] 本实施方式中接触样本17通过样本压板1固定在上支撑板2的上表面上，其它接 触样本18设置在夹具组件上。
【具体实施方式】 [0016] 二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种用于观测 分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法的图像采集系统包括工业相机显微镜 头22、光源23、二维手动滑台24、工业相机25、镜头调节机构26、调节导轨27和转接板28， 调节导轨27的下端通过转接板28安装二维手动滑台24上，镜头调节机构26套装在调节 导轨27上，工业相机显微镜头22的下端安装在镜头调节机构26上，工业相机25与工业相 机显微镜头22的上端连接，光源23通过连接弯杆与工业相机显微镜头22连接。
[0017] 本实施方式中工业相机显微镜头22光学放大倍数连续可调，且变化范围是： 8 X - 50 X，相机的像素数为2592X1944,每个像素大小为2. 2 μ mX 2. 2 μ m，最大分辨率时 每个像素代表实际尺寸是44nmX44nm。
[0018] 调节导轨27长度是450mm，调节镜头调节机构26本身的调节旋钮，调节机构调节 范围是65mm，用于镜头焦平面的对焦。
[0019] 工业相机25通过USB与电脑相连，上位机能够实现对接触界面微观形貌的图像的 采集、储存、分析。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0020] 三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种用于观测 分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法的升降机构包括中板9、压力轴承11、 下支撑板12、丝套13、丝杠14和两个直线轴承10,下支撑板12、中板9由下至上依次套装 在两根导轨3的下端，且中板9可沿两根导轨3直线移动，每个直线轴承10分别各套装在 一根导轨3上，且每个直线轴承10均与中板9的下表面连接，压力轴承11固定安装在中板 9下表面的中部，丝套13安装在支撑板12下表面的中部，丝杠14的上端由下至上依次穿过 丝套13、下支撑板12与压力轴承11接触。其它组成及连接关系与一相同。
【具体实施方式】 [0021] 四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种用于观测 分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法的升降机构还包括搬杆15,搬杆15安 装在丝杠14的下端。
[0022] 本实施方式的技术效果是：如此设置，便于转动丝杆14。其它组成及连接关系与
【具体实施方式】三相同。
【具体实施方式】 [0023] 五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种用于观 测分析触点真实接触面积的光学装置及光学测量方法的夹具组件包括上夹具19和下夹具 20,上夹具19和下夹具20由上至下依次套装在移动轴5的上端。其它组成及连接关系与 一相同。
【具体实施方式】 [0024] 六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种利用具 体实施方式一所述装置观测分析触点真实接触面积的光学测量方法是通过如下步骤实现 的：
[0025] 步骤一、将接触样本通过样板压板1安装在所述夹具组件上，调节工业相机显微 镜头22,给微型力传感器7通电；
[0026] 步骤二、通过USB数据线将工业相机25与计算机连接，通过计算机观察图像，进行 调焦，将焦点调在蓝宝石平板端面附近；
[0027] 步骤三、缓慢施加压力，直至接触样本轻微接触，重新调焦直至能够清晰的观察到 接触区域；
[0028] 步骤四、调整二维手动滑台使接触区域位于图像中心位置，调整工业相机显微镜 头22放大倍数，同时不断调整光源亮度；
[0029] 步骤五、接触力值保持20秒后保存图像，同时记录接触力值和同业相机显微镜头 22的放大倍数；
[0030] 步骤六、利用图像处理程序，综合使用滤波、小波处理、阈值判定等方法分析拍摄 的图片，然后计算接触区域的真实接触面积。
[0031] 工作原理
[0032] 采集图像时将工业相机25的USB线连接到电脑上，并给所述光源23供电，所述光 源23能够使图像更加清晰，增加图像的明锐度。打开上位机软件，以观测实时图像，通过调 节所述镜头调节机构26在调节导轨27上的高度及旋转调节机构本身的调节旋钮将镜头的 焦平面对焦到平板接触样本17上，旋转搬杆15进行手动加载，调节二维手动滑台24,改变 镜头在XY平面上的位置，将接触区域的中心与相机显示图像的中心重合，通过改变镜头的 放大倍数得到合适的图像，通过上位机进行拍照及分析。接触样本17中的平板材料采用透 明材料，采用同轴光源提高图像清晰度和明锐度。
【权利要求】
1. 一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置，其特征在于：所述一种用于观测 分析触点真实接触面积的光学装置包括手动加载机构和图像采集系统，并排设置在工作平 台上，所述手动加载机构包括样本压板（1)、上支撑板（2)、移动轴（5)、固定轴承套￠)、微 型力传感器（7)、传感器支架（8)、升降机构、夹具组件、底板（16)、弹簧（21)、两根导轨（3) 和两个支柱（4)，样本压板（1)安装在上支撑板（2)上表面的中部，上支撑板（2)、底板（16) 由上至下依次设置，上支撑板（2)的下表面通过两个支柱（4)与底板（16)的上表面连接， 两根导轨（3)坚直设置在上支撑板（2)与底板（16)之间，每根导轨（3)的上端与上支撑板 (2)的下表面固定连接，所述升降机构安装在两根导轨（3)的下端，微型力传感器（7)通过 传感器支架（8)安装在所述升降机构上，且微型力传感器（7)位于上支撑板（2)下表面与 所述升降机构之间，移动轴（5)的下端插装在微型传感器（7)上，所述夹具组件、弹簧（21)、 固定轴承套￠)由上至下依次套装在移动轴（5)上，且所述夹具组件位于样本压板（1)的 正下方。
2. 根据权利要求1所述一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置，其特征在 于：所述图像采集系统包括工业相机显微镜头（22)、光源（23)、二维手动滑台（24)、工业相 机（25)、镜头调节机构（26)、调节导轨（27)和转接板（28)，调节导轨（27)的下端通过转 接板（28)安装二维手动滑台（24)上，镜头调节机构（26)套装在调节导轨（27)上，工业相 机显微镜头（22)的下端安装在镜头调节机构（26)上，工业相机（25)与工业相机显微镜头 (22)的上端连接，光源（23)通过连接弯杆与工业相机显微镜头（22)连接。
3. 根据权利要求1所述一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置，其特征在 于：所述升降机构包括中板（9)、压力轴承（11)、下支撑板（12)、丝套（13)、丝杠（14)和两 个直线轴承（10)，下支撑板（12)、中板（9)由下至上依次套装在两根导轨（3)的下端，且中 板（9)可沿两根导轨（3)直线移动，每个直线轴承（10)分别各套装在一根导轨⑶上，且 每个直线轴承（10)均与中板（9)的下表面连接，压力轴承（11)固定安装在中板（9)下表 面的中部，丝套（13)安装在支撑板（12)下表面的中部，丝杠（14)的上端由下至上依次穿 过丝套（13)、下支撑板（12)与压力轴承（11)接触。
4. 根据权利要求3所述一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置，其特征在 于：所述升降机构还包括搬杆（15)，搬杆（15)安装在丝杠（14)的下端。
5. 根据权利要求1所述一种用于观测分析触点真实接触面积的光学装置，其特征在 于：所述夹具组件包括上夹具（19)和下夹具（20)，上夹具（19)和下夹具（20)由上至下依 次套装在移动轴（5)的上端。
6. -种利用权利要求1所述装置进行光学测量的方法，其特征在于：所述一种用于观 测分析触点真实接触面积的光学测量方法是通过如下步骤实现的： 步骤一、将接触样本安装在所述夹具组件上，调节工业相机显微镜头（22)，给微型力传 感器（7)通电； 步骤二、通过USB数据线将工业相机（25)与计算机连接，通过计算机观察图像，进行调 焦，将焦点调在蓝宝石平板端面附近； 步骤三、缓慢施加压力，直至接触样本轻微接触，重新调焦直至能够清晰的观察到接触 区域； 步骤四、调整二维手动滑台使接触区域位于图像中心位置，调整工业相机显微镜头 (22)放大倍数，同时不断调整光源亮度； 步骤五、接触力值保持20秒后保存图像，同时记录接触力值和同业相机显微镜头（22) 的放大倍数； 步骤六、利用图像处理程序，综合使用滤波、小波处理、阈值判定等方法分析拍摄的图 片，然后计算接触区域的真实接触面积。
【文档编号】G01B11/28GK104061881SQ201410330892
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】任万滨, 常成, 韦建民, 刘程焕, 陈宇 申请人:哈尔滨工业大学