一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法
【专利摘要】本发明属于光学测量【技术领域】，涉及一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，计先算钢球和玻璃盘之间润滑油膜厚度的红绿双色光干涉三刺激值，再测量记录不同滑动速度和不同加载荷条件下的钢球和玻璃盘接触区润滑油膜厚引起的光干涉图像，分析距离接触中心最近的黑色特征条纹的G-R调制光强曲线，确定整个干涉图像中所有条纹的具体级数，计算得到具体的膜厚分布，实现润滑油膜厚度的测量；其测量过程简单，测量效率高，获取到比白光干涉大3倍的量程，便于测量不同滑动速度和不同载荷下整个接触区的油膜厚度分布。
【专利说明】一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于光学测量【技术领域】，涉及一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法， 特别是一种利用双色光干涉和相对光强原理测量机械接触副之间纳米至亚微米量级润滑 油膜厚度的方法，适用于测量弹性流体动力润滑、流体动压润滑及其他润滑状态下不同速 度、载荷的接触区内的膜厚分布。
【背景技术】：
[0002] 在机械运转部件之间形成足够厚度的油膜，将两个表面分割开来，是降低摩擦，避 免磨损的重要手段。目前，光干涉法是测量润滑油膜厚度最有效的方法之一，它利用形成 的干涉条纹对油膜厚度和形状进行推算。1965年，Cameron等人提出了球-盘接触的测 量结构，利用光干涉技术首次观察到带有出口颈缩的经典马蹄形油膜形状，开拓了光弹流 (Optical Elastohydrodynamics)研究领域，后经改进，确定了玻璃盘、分光层（Cr膜）、垫 层（Si02)、润滑油和钢球的光学测量配置，其中分光Cr膜的引入极大提高了干涉条纹的对 比度，垫层技术的提出减小了可测膜厚下限。根据使用光源的不同，光干涉法分为单色光 干涉法和白光干涉法，单色光干涉法通过干涉条纹级次计数及分析明暗条纹间光强的变化 来判断油膜厚度，结合黄平、雒建斌等提出的相对光强法（R0II)和青岛理工大学郭峰提出 的MBI测量方案，分辨率为0. 85nm，量程达5 μ m ;但在测量中需要从速度为0时连续拍摄照 片，从图像历史记录中数出干涉级次，这样不但效率低下，而且在高速动态测量时常会丢失 级次，导致膜厚误判；白光干涉法利用干涉图像中色彩坐标的变化推算油膜厚度，无需确定 干涉条纹级次；但是随膜厚的增加，形成相长干涉的波长范围增加，干涉条纹的对比度和色 彩饱和度衰减严重，对于白光干涉，其最高可测膜厚一般不超过1 μ m，而且测量的精度依赖 于严格的标定过程，标定过程的很多因素，如静态标定和动态测量中接触表面的曲率不同 等将会引起测量的误差。为了在保证测量精度条件下提高可测最大油膜厚度，研究人员也 采用双色或三色光进行测量，实际是单色光干涉和白光干涉的折衷，Lord等提出了基于三 色光干涉的伪相步进测量方法，但由于技术复杂，并没有得到推广；青岛理工大学郭峰、赵 国垒在其论文《油膜厚度测量的双色光干涉光强调制方法》中提出G-R双色光强调制技术， 尝试用一张图像信息处理膜厚，避免单色光对历史图像级次的依赖，但仅利用了一个调制 波拍周期，量程仅为1 μ m，不能满足高膜厚的测量需求，更关键的是双光束理论计算的调制 曲线的极值点和实际测量中极值点大小偏差较大，导致该方法在实际测量中无法应用。因 此，探索一种大量程、高精度、方便可行的方法对纳米/亚微米润滑油薄膜厚度进行测量是 很有必要的。
【发明内容】
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[0003] 本发明的目的在于克服现有测量方法中单色光繁琐的干涉级次计数和其他干涉 技术量程小的缺点，寻求设计提供一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，能将光学量 程扩展到4 μ m，可通过一幅双色干涉图像准确判断出固定点的干涉级次，然后再利用单色 红光光强分布按照相对光强法实现接触副间变载荷或变速度工况下动态纳米/亚微米润 滑油膜厚度的高效测量。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用双色光油膜润滑试验台实现润滑油膜厚度的测 量，双色光油膜润滑试验台上设置有实时捕获钢球和玻璃盘接触副间的油膜干涉图像的 3CCD彩色相机，经过图像卡传输给计算机显示和存储，其具体测量步骤包括：
[0005] (1)、计算钢球和玻璃盘之间润滑油膜厚度从lnm到4500nm对应的红绿双色光干 涉三刺激值，即油膜干涉系统红绿RG相对光强分布；利用颜色相加原理和颜色复现方程 式，对光谱敏感特性分别为f κ ( λ )、fe ( λ )、fB ( λ )的3CCD彩色相机的3CCD (RGB)彩色相机 获得的颜色三刺激值为
[0006]
【权利要求】
1. 一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，其特征在于采用双色光油膜润滑试验台 实现润滑油膜厚度的测量，其具体测量步骤包括： (1) 、计算钢球和玻璃盘之间润滑油膜厚度从lnm到4500nm对应的红绿双色光干涉三 刺激值，即油膜干涉系统红绿RG相对光强分布；利用颜色相加原理和颜色复现方程式，对 光谱敏感特性分别为f K ( λ )、fe ( λ )、fB ( λ )的3CCD彩色相机的3CCD (RGB)彩色相机获得 的颜色三刺激值为
其中，C表示R(红）、G (绿）、B (蓝）三刺激值，S ( λ )为所用红绿双色光源的光谱能量 分布函数，k为调节系数，k的取值范围在0到1之间，目的在于使三刺激值均归一化，Ih( λ ) 为每一波段λ上膜厚为h处的干涉光强，玻璃盘界面的干涉光强I按照公式
进行计算，其中表示反射光的电向量，m =1,2,……，下标0代表玻璃介质，直接玻璃盘界面反射而来，其他反射光均经过玻璃 盘以下各层的反射和投射；然后沿润滑油膜厚度从Onm增加到4500nm，将绿光的归一化光 强减去红光的归一化光强得到双色调制光强G-R，并以此绘制出膜厚与G、R、G-R相对光强 的对应变化关系曲线图；G-R调制光强曲线对膜厚的变化呈现调制波的特征，该曲线极值 点的大小与膜厚存在一一对应的关系，与之对应的双色光干涉图像在每个调制波拍分界处 呈现出黑色特征条纹；对采用的中心波长分别为653nm和532nm的红绿双色激光光源，计算 结果显示G-R调制光强曲线中每个波拍对应的光学厚度为1408nm，每个波拍均包含10个 极值点，相邻的波拍并非完全相同，对计算出的4500nm膜厚范围内双色光干涉图像的黑色 特征条纹位置计算归一化红绿光强值后作出G-R调制光强曲线后，取曲线每个波拍上第8 个和第9个极值点光强值的绝对值之和SUM作为判据区分前三个波拍，发现SUM值在1. 0 到1. 8之间为第一波拍，SUM值在1. 8到2. 8之间则属于第二波拍，SUM值在2. 5到3. 2之 间为第三波拍，其中前三个波拍第8个极值点对应单色红光干涉的干涉级次分别为（4, 4)、 (8,8), (12, 12)； (2) 、测量记录滑动速度大于Omm/s时的钢球和玻璃盘接触区润滑油膜厚引起的光干 涉图像，分析距离接触中心最近的黑色特征条纹的G-R调制光强曲线，同时计算第8个和第 9个极值点光强值绝对值之和并与计算得到的SUM值对比出所属拍波段，以及第8个极值点 所在位置对应红光的干涉级次；然后与计算得到的〇?4500nm红光的膜厚相对光强曲线对 照，得出此滑动速度下的中心干涉区的具体干涉级数，从而确定整个干涉图像中所有条纹 的具体级数，然后利用干涉原理计算得到具体的膜厚分布；利用相同方法连续记录不同滑 动速度的钢球和玻璃盘接触区润滑膜引起的光的干涉图像，从而得到不同滑动速度下的中 心接触区干涉级次和膜厚分布； (3) 、测量记录加载杠杆施加载荷条件下钢球和玻璃盘接触区润滑膜引起的干涉图像， 测量得出此载荷下距离接触区中心最近的黑色特征条纹的G-R调制光强曲线，同时利用第 8个和第9个极值点光强值绝对值之和判断出第8个极值点所在位置对应红光的干涉级次； 然后与计算得到的〇?4500nm红光的膜厚-相对光强曲线对比得出此速度下的中心干涉 区的具体干涉级数，从而确定整个干涉图像中所有条纹的具体级数，然后利用干涉原理计 算得到具体的膜厚分布，实现润滑油膜厚度的测量。
2. 根据权利要求1所述的双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，其特征在于所述双色 调制光强G-R的获取过程具体包括：先通过3CCD彩色相机存储干涉图像；再记录转速和/ 或载荷，然后获取干涉图像指定区域的红光和绿光光强值并存储，分别输出红光和绿光光 强的最大值和最小值；利用公式
计算所述区域的双色调制光强G-R。
3. 根据权利要求1所述的双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，其特征在于所述G-R 调制光强曲线中第8个和第9个极值点的判断方法具体包括：首先获取干涉图像黑色特征 干涉条纹处的G-R调制光强随像素点坐标的变化；然后找出G-R调制光强曲线的极值点上 光强绝对值小于〇. 5的所有极值点的位置，即0区，包含并代表一个波拍结束的位置；其次， 从0区向接触中心方向，即接触副间隙和膜厚相对减小的方向，靠近0区最近的绝对值大小 近似相等的一组相邻极值点即为第8和第9极值点，其中G-R值小于0的为第8极值点，大 于〇的为第9极值点。
4. 根据权利要求1所述的双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，其特征在于所述双 色光干涉油膜润滑试验台的主体结构包括试验台底座、红绿双色激光光源、旋转毛玻璃、光 纤、计算机、3CCD彩色相机、同轴照明显微镜、玻璃盘、钢球、加载杠杆、弹簧拉力计、球托和 伺服电机，试验台底座上安装置有玻璃盘、加载杠杆和伺服电机，玻璃盘为透明圆形结构； 加载杠杆的一端上方置有球托，另一端下方与弹簧拉力计连接；球托上固定有钢球，钢球 和玻璃盘之间的滚道上加入润滑油形成润滑油膜；红绿双色激光光源放置在试验台底座 上，红绿双色激光光源的前侧放置有旋转毛玻璃，旋转毛玻璃和同轴照明显微镜之间设有 光纤，红绿双色激光光源发出的光穿过旋转毛玻璃滤波后，经光纤导入同轴照明显微镜，最 终垂直射向同轴照明显微镜的观察区域；通过弹簧拉力计对加载杠杆施加载荷实现不同载 荷下润滑油膜厚度的测量；伺服电机在试验台底座上带动玻璃盘旋转，对应实验接触区转 速为Omm/s到1. 5m/s，实现玻璃盘不同转速下膜厚的测量；同轴照明显微镜正上方连接有 3CCD彩色相机，3CCD彩色相机实时捕获干涉图像，并将干涉图像传输到装有图像采集卡的 计算机中显示或保存。
【文档编号】G01B11/06GK104154870SQ201410432296
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】刘海超, 郭峰, 赵国垒 申请人:青岛理工大学