一种微小力值的测量方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于微小力标定与测量技术领域，具体涉及一种微小力值的测量方法。
技术背景:
[0002]微小力测试测量技术被广泛地应用于生物医学、纳米材料和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微电子机械系统)等多个领域。比如在MEMS器件的应用中，随着器件尺寸的减小，表面效应显著，表面力对器件之间的相对运动影响明显，这就需要对微弱的表面力进行表征。另外，摩擦作用广泛存在于宏观和微观尺度的相互接触且有相对运动或相对运动趋势的物体之间，微纳尺度的摩擦行为的表征对于揭示摩擦机理意义重大，而这也需要对微小的摩擦力和法向力进行测量。
[0003]中国专利(公开号为CN103389174B)公布了一项名为微力测量装置的技术发明，本发明的微力测量装置包括不等臂天平、力值复现装置、微位移测量装置和计算机控制系统；不等臂天平的长臂端部设置有托盘，短臂端部设置有边刀结构，边刀结构通过力值复现装置与微位移测量装置连接;微位移测量装置的输出端通过连接套与绝缘杆连接，绝缘杆与力值复现装置的内电极上端盖的螺纹孔连接。该发明通过测量电容器两极间的电压来获得施加在托盘上的力值。从描述可知，该方法及装置比较复杂，而且调节两极间的电压会降低测量的效率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种微小力值的测量方法，可以满足高分辨率、高速微小力值的在线测量。
[0005]本发明提出的一种微小力值的测量方法，具体包括以下步骤:
[0006]1)将托盘放置于装有透明液体的容器中，在重力和表面张力的作用下，托盘会在液体表面形成凹液面；
[0007]2)液面上部放置光源，光源发出的光线在托盘边缘的凹液面处发生折射后进入液体，在光线的作用下，托盘会在容器底部形成阴影；
[0008]3)标定:在托盘上放置标准砝码，容器底部的阴影面积会增加，使用摄像机连续拍摄阴影面积的变化，并将图像传输至计算机，通过图像分析技术计算出阴影面积变化，与所加砝码重量进行拟合:y = ax+b，其中y表示阴影部分增加的面积，X表示通过标准砝码施加的法向力，a、b是与透明液体折射率、托盘材料及几何尺寸、光源高度、摄像机高度有关的参数；
[0009]4)测量:对托盘施加未知法向力XQ，容器底部的阴影面积会增加，使用摄像机连续拍摄阴影面积的变化，并将图像传输至计算机处理，将面积的变化值yo代入步骤3)中标定的关系式中，即xo=( yo-b) /a，得到所施加力的值xo。
[0010]本发明具有以下优点及突出性的技术效果:①本发明通过计算阴影面积变化测量微小力值的方法，能够在线实时计算所施加的外力;②本方法的测力分辨率由使用的摄像机的分辨率决定，提高摄像机的分辨率可以将测力分辨率提高至皮牛和纳牛量级;③本方法的力值测量速度由摄像机的帧率决定，提高摄像机的帧率可以提高测力的速度;④本方法操作简单、易于实现，可以实现对微小力的高分辨率、高速的测量。
【附图说明】
[0011]图1为本发明提供的一种微小力值测量方法所用装置的结构及原理示意图。
[0012]图2是本发明在聚四氟乙烯薄片作为托盘，水作为透明液体，光源为点光源时所施加的法向载荷与阴影面积变化的关系曲线。
[0013]图中:1-光源；2-微小法向力F;3-容器;4-托盘;5_是摄像;6_是透明液体;7_凹液面;8-容器底部的阴影。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步的说明。
[0015]图1为本发明提供的一种微小力值测量方法所用装置的结构及原理示意图，其具体包括光源1、托盘4、装有透明液体的容器3和摄像机5，托盘4为圆形、方形、三角形或其它任意形状的薄片或者细长杆等能稳定地浮在透明液体表面的结构，宜采用疏水材料制作。所述的透明液体可以是水、酒精、甘油或离子液体等透光性良好的液体;摄像机应采用高速摄像机，其具体测量步骤包括:
[0016]1)将托盘放置于装有透明液体的容器中，在重力和表面张力的作用下，托盘会在液体表面形成凹液面；
[0017]2)液面上部放置光源，光源发出的光线在托盘边缘的凹液面处发生折射后进入液体，在光线的作用下，托盘会在容器底部形成阴影；
[0018]3)标定:在托盘上放置标准砝码，容器底部的阴影面积会增加，使用摄像机连续拍摄阴影面积的变化，并将图像传输至计算机，通过图像分析技术计算出阴影面积变化，与所加砝码重量进行拟合:y = ax+b，其中y表示阴影部分增加的面积，X表示通过标准砝码施加的法向力，a、b是与透明液体折射率、托盘材料及几何尺寸、光源高度、摄像机高度有关的参数；
[0019]4)测量:对托盘施加未知法向力xo，容器底部的阴影面积会增加，使用摄像机连续拍摄阴影面积的变化，并将图像传输至计算机处理，将面积的变化值yo代入步骤3)中标定的关系式中xo = (yo-b) /a，得到所施加力的值xo。
[0020]实施例:
[0021]以直径为12mm、厚度为0.2mm的聚四氟乙烯薄片作为托盘，水作为透明液体，光源为点光源(水深10mm，光源距离水面500mm，摄像机镜头距离容器底部500mm)为例，将托盘4放置于装有水的容器3中，在重力和表面张力的作用下，托盘4会在水表面形成凹液面;在水面上部放置光源1，光源1发出的光线照向托盘4，并在所形成的的凹液面7处发生折射，在光线的作用下，托盘4会在容器3底部形成阴影8;通过放置标准砝码对托盘4施加载荷2，容器3底部阴影的8面积会增加，使用摄像机5拍摄阴影的面积的变化，并将图像传输至计算机，用MATLAB软件计算出容器底部的阴影8的面积变化，与所加砝码重量关系进行拟合:y =2874.6x+20314，其中y表示阴影部分增加的面积(用像素点pix的数目表示)，x表示通过标准砝码对托盘4施加的法向力，系数2874.6、20314是与透明液体折射率、托盘材料及几何尺寸、光源高度、摄像机高度有关的参数，如图2所示，图中数据线性度很好；
[0022]根据图2中的线性关系:x=(y-20314)/2874.6，当摄像机5可以分辨20500pix的阴影面积变化时(y = 20500)，X = 64.7，S卩可测得大约60nN的法向载荷值。
【主权项】
1.一种微小力值的测量方法，所述方法包括以下步骤: 1)将托盘放置于装有透明液体的容器中，在重力和表面张力的作用下，托盘会在液体表面形成凹液面； 2)在液面上部放置光源，光源发出的光线会在托盘边缘的凹液面处发生折射后进入液体，在光线的作用下，托盘会在容器底部形成阴影； 3)标定:在托盘上放置标准砝码，容器底部的阴影面积会增加，使用摄像机连续拍摄阴影面积的变化，并将图像传输至计算机，通过图像分析技术计算出阴影面积的变化，得到法向载荷与阴影面积变化的标定关系曲线:y = ax+b，其中y表示阴影面积的变化值，X表示通过标准砝码施加的法向力，a、b是与透明液体折射率、托盘材料及几何尺寸、光源高度、摄像机尚度有关的参数； 4)测量:对托盘施加未知法向力xo，容器底部的阴影面积会增加，使用摄像机连续拍摄阴影面积的变化，并将图像传输至计算机处理，将阴影面积的变化值yo代入步骤3)中标定的关系中，即xq = (yo-b)/a，测得所施加力的微小力值xo。2.根据权利要求1所述的一种微小力值的测量方法，其特征在于:所述的透明液体为透光性好的水、酒精、甘油或离子液体。3.根据权利要求1所述的一种微小力值的测量方法，其特征在于:所述的托盘采用疏水材料做成的薄片，或能够稳定浮在透明液体表面的细长杆结构。
【专利摘要】本发明提出了一种微小力值的测量方法，属于微小力标定与测量技术领域。该方法具体涉及光源、容器、托盘、透明液体和摄像机；透明液体可采用水、酒精、甘油或其它透光性比较好的液体。其具体步骤是将托盘置于装有透明液体的容器中，在重力和表面张力的作用下，使液体表面形成凹液面；在液面上部放置光源，光线在托盘边缘的凹液面处发生折射后进入液体，在光线的作用下，托盘会在容器底部形成阴影；给托盘施加微小法向力，阴影部分面积会变化，使用摄像机拍摄阴影面积的变化，通过图像分析技术计算出阴影面积的变化，根据标定关系即测得所施加力的微小力值。本方法操作简单、易于实现，可以实现对微小力的高分辨率、高速的测量。
【IPC分类】G01L11/02
【公开号】CN105444940
【申请号】CN201510824353
【发明人】田煜, 郑叶龙, 鲁鸿宇, 陶大帅, 尹维
【申请人】清华大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月24日