本发明属于复合柔性材料曲面形变的检测技术领域，具体涉及一种柔性复合薄膜曲面形变的检测装置与方法。
背景技术：
近年来，柔性电子技术正在飞速地应用于信息、能源、医疗和国防等领域。据预测，柔性电子产品的市场将会从2016年的265亿美金增加到2026年的690亿美金。作为柔性电子技术中的重要组成部分，柔性传感器是近年来科学研究中的热门领域。在功能上，柔性传感器使用了极薄的压电材料、半导体材料、有机材料和金属材料，实现了植入式或可穿戴的人体健康检测、汽车电子和机器人传感器等方面的应用。在光电传感器领域，柔性电子技术也有着大量的应用。这些柔性光电传感器的出现表明了将光学成像系统小型化和在任意表面实现集成的迫切需求。然而以上的柔性光电传感器并不具备延展性，无法顺应地覆盖任何复杂的曲面。柔性可延展电子器件为新一代半导体器件的发展提供了新方向。柔性可延展电子器件具有许多重要的和新兴的应用,如柔性显示器、半球形电子眼数码相机、智能外科手套、健康监测设备和柔性太阳能电池。所以实现任意复杂曲面的集成还需要依靠柔性可延展的光电传感器。
柔性光电传感器使用了可延展的金属导线将不同测量单元连接成复杂的网状结构。这些柔性光电传感器阵列在刚性平面基底上完成加工，通过转印的方法转移到平面柔性基底上。基底通过机械变形，如使用液体填充改变基底的曲率或使用预拉伸的方法将拉伸平面的曲面释放获得原有曲面形式。曲面柔性可延展传感器虽然取得了令人振奋的进步，然而它依然面临的一些问题，有待进一步地探索，才能最终应用于更多需要微尺度光学检测的应用中。
特别是曲面多层复合柔性可延展光电二极管阵列传感器，是将多层超薄的光电二极管阵列和可延展的连接电路相互叠加，层间填充非导电的隔离液，二极管和连接电路间采用硅胶和化学键辅助的局部冷焊的方法形成。由于传感器阵列基于超薄硅胶基底上，在多层结构相互叠加的情况下，依然要求能够保持很好的柔性和延展性，且其厚度为1mm，所以为了让曲面多层复合柔性可延展光电二极管阵列传感器可以成功且方便地应用于信息、能源、医疗和国防等各个复杂的领域中，必须对其形变参数进行检测，以便根据形变参数进行相应的设计，然而目前没有一种方便用的柔性复合薄膜曲面形变的检测装以检测复合薄膜的形变。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种柔性复合薄膜曲面形变的检测装置与方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性复合薄膜曲面形变的检测装置，包括
样品池，安放在二维显微载物台上，其上端具有复合薄膜的安装孔，并通过液体输送管路与储液池相连接，在液体输送管路上设有压力控制器以及微泵；
微距成像装置，设在样品池的一侧，与图像采集处理系统连接，用于采集安装在样品池上的复合薄膜的形变投影图像并输送到图像采集处理系统中；
可调节的光源，设在样品池的另一侧，与所述微距成像装置相对，用于发射一组平行光照射到样品池上的复合薄膜上，以实现在微距成像装置上形成薄膜形变投影；
可移动的平行光挡板，安装在样品池与微距成像装置之间，用于遮挡投影到微距成像装置上的未照射到复合薄膜上的平行光；
图像采集处理系统，用于对微距成像装置采集的投影图像进行处理，得到复合薄膜形变轮廓曲线，并计算出压力与薄膜形变曲率之间的对应关系。
所述压力控制器为PID压力控制器，所述微距成像装置为CCD摄像装置。
所述可调节的光源与微距成像装置安装在高度可调节三角支撑架上。
所述可移动的挡板安装在导轨上并由伺服电机控制移动，在所述导轨上设有极限位置限位器。
所述压力控制器、微泵以及伺服电机由控制系统控制动作。
本发明的目的还在于提供一种所述柔性复合薄膜曲面形变的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1：将复合薄膜安装在样品池的安装孔处并保持密封；
S2：调节光源、微距成像装置高度，使光源、样品池、微距成像装置三者水平高度一致；
S3：调节微泵，经压力控制器向样品池中注入液体，增加样品池中液体压强，使复合薄膜上凸形变；
S4：调节光源强度，使复合薄膜清晰完整地在微距成像装置上投影；
S5：调节挡板的高度，使挡板向下移动逐渐遮挡投影到微距成像装置上的部分光源，并且与照射复合薄膜直射到微距成像装置上的图像形成交点，在图像采集系统上依次描绘出这些交点；
S6：图像采集系统通过对投影图像的二值化处理，在图像采集系统上描绘出较多的点，依次连接该多个点得到复合薄膜形变后的轮廓曲线；
S7：图像采集系统计算轮廓曲线的曲率，并利用已知的样品池内的压力，获得样品池内的压力与薄膜形变曲率之间的对应关系。
本发明的柔性复合薄膜曲面形变的检测装置，可以实现控制由微距成像装置获得样品池上的复合薄膜在液体压力与空气压力作用下的形变图像，并由图像采集系统对采集的图像进行处理，从而获得复合薄膜形变后的轮廓曲线，并可以已知的样品池内的压力，获得样品池内的压力与薄膜形变曲率之间的对应关系，从而实现了对复合薄膜的形变的测试，使得测试数据准确，为研究复合薄膜的形变现象提供的依据。
附图说明
图1是本发明的柔性复合薄膜曲面形变的检测装置的结构原理图；
图中：1-控制系统；2-三脚架；3-光源；4-样品池；5-螺钉；6-复合薄膜；7-挡板；8-导轨；9-极限位置限位器；10-微距成像装置；11-二维显微载物台；12-图像采集处理系统；13-储液池；14-微泵；15-压力控制器。
具体实施方式
下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
参见图1所示，一种柔性复合薄膜曲面形变的检测装置，包括：
样品池4，安放在二维显微载物台11上，其上端具有复合薄膜6的安装孔，并通过液体输送管路与储液池14相连接，在液体输送管路上设有压力控制器15以及微泵14；
微距成像装置10，设在样品池的一侧，与图像采集处理系统12连接，用于采集安装在样品池上的复合薄膜的形变投影图像并输送到图像采集处理系统12中；
可调节的光源3，设在样品池的另一侧，与所述微距成像装置10相对，用于发射一组平行光照射到样品池上的复合薄膜6上，以实现在微距成像装置10上形成薄膜形变投影，由微距成像装置10采集投影的图像；
可移动的平行光挡板7，安装在样品池4与微距成像装置10之间，用于遮挡投影到微距成像装置10上的未照射到复合薄膜上的平行光；
图像采集处理系统，用于对微距成像装置采集的投影图像进行处理，得到复合薄膜形变轮廓曲线，并计算出压力与薄膜形变曲率之间的对应关系。
本发明装置，通过控制微泵14经压力控制器15将储液池内液体注入样品池，并通过压力控制器15的压力设置控制样品池内的压力变化，在液体压强和空气压强的共同作用下，使得复合薄膜6实现凹面-平面-凸面的变化，然后通过打开可调节的光源3从如图1所示的左侧发射一组平行光照射到复合薄膜6上，从而实现在微距成像装置10上形成复合薄膜的形变投影，通过调节平行光挡板7的位置，如图1所示，向下移动，遮挡从左侧发射过来的部分光源，即将平行光上部未照射到复合薄膜上的光挡住，与照射复合薄膜6直射到微距成像装置10上的图像形成交点，在图像采集系统12上依次描绘出这些交点；重复操作上述步骤，可逐渐描绘出复合薄膜形变后轮廓曲线上的所有点，从而描绘出复合薄膜形变轮廓曲线。
具体的，本发明中，所述复合薄膜6的四周通过圆环状的垫片和螺钉5固定在样品池的上端的膜安装孔处，产保证其四周的密闭性。
本发明中，所述可调节的光源3可以是通过外部的控制系统来控制光强度参数。所述外部控制系统可以是专门的光源强度控制器，也可以是如图1所示的控制计算机，或其它光源控制装置来实现。
所述压力控制器15及微泵14用于调整样品池内液体的压强，可以防止在实验过程由于其他原因而破坏复合薄膜6。并且在采集薄膜形变的过程中，需要使复合薄膜形变保持。
需要说明的是，本发明中，所述压力控制器为现有可用的液体压力控制器，如PID压力控制器，可以是通过与外部压力控制系统连接，实现压力控制参数的设定，保证压力控制在相应的范围内，所述微泵14可以由外部控制器控制开启以及停止等，从而实现将储液池内的液体通过液体输送管送到样品池，使样品池的液体充满，然后由压力控制器使样品池内的液体压力保持在设定的压力范围内，从而使复合薄膜发生相应的的不同的形变，也可以是图1所示，与控制系统1来连接，由控制系统1实现对微泵14以及压力控制器15的控制以及控制参数的设定。
本发明中，所述控制系统1可以是一台控制计算机，通过安装相应的控制模块可实现对微泵14以及压力控制器15运行参数的设定及控制。
本发明中，所述可调节的光源3可安装在可调节的三角支架上2，通过三角支架2实现光源的位置调节，同样，所述微距成像装置10也可以安装一个同样的三角支架2上，实现位置的调节，从而使光源的平行光可照射到形变的复合薄膜上并投影到微距成像装置10上。
本发明中，所述挡板7可以安装在导轨8上，在导轨8下部设有极限位置限位器9，以使挡板在移动到位置时停止。
所述极限位置限位器9可以是一个限位开光，所述挡板可以是由挡板伺服驱动机构，如伺服电机控制移动，该伺服电机可以由图1所示控制计算机控制，当移动极限位置限位器9的位置时，挡板驱动机构接收到限位开关的信号后，自动控制停止移动，该在导轨上限位移动技术为现有技术，本发明不再详细说明。
需要说明是，本发明中，由于当光源3发射出的平行光通过照射形变后的复合薄膜6投影到微距成像装置10上的时，上部未照射到复合薄膜上的光照射到了微距成像装置上，再加上透射过复合薄膜的光强，使得复合薄膜在微距成像装置上的轮廓投影不清晰，因引本发明在样品池的上部加了一套具有遮挡光源作用的由挡板伺服驱动机构控制的挡板。
具体的，可以是通过控制系统1驱动挡板伺服机构，使得挡板在导轨8上移动，当挡板向下移动时，逐渐遮挡投影到微距成像装置10上的部分光源，并且与照射复合薄膜6直射到微距成像装置10上的图像形成交点，在图像采集处理系统12上依次描绘出这些点，通过伺服驱动机构的控制，重复操作上述步骤，可逐渐描绘出复合薄膜形变后轮廓曲线上的所有点，从而描绘出复合薄膜形变轮廓曲线。
本发明中，所述微距成像装置10可以是采用CCD摄像装置来实现。
本发明中，所述图像采集处理系统12对形变投影图像的二值化处理以及轮廓曲线的提取，就可以得到复合薄膜形变后的轮廓特征曲线，然后再处理该轮廓曲线，同时通过已知的样品池内的压力，也可以获得压力与复薄膜形变曲率之间的对应关系。
所述图像采集处理系统可以12可以是一个计算机，安装有图像处理模块，可实现对形变投影图像进行二值化处理以及提取轮廓曲线，得到复合薄膜形变后的轮廓特征曲线，然后再处理该轮廓曲线，获得曲线的曲率，同时通过已知的样品池内的压力，也可以获得样品池内的压力与复薄膜形变曲率之间的对应关系。
可以看出，本发明的柔性复合薄膜曲面形变的检测装置，可以实现控制由微距成像装置获得样品池上的复合薄膜在液体压力与空气压力作用下的形变图像，并由图像采集系统对采集的图像进行处理，从而获得复合薄膜形变后的轮廓曲线，并可以已知的样品池内的压力，获得样品池内的压力与薄膜形变曲率之间的对应关系，从而实现了对复合薄膜的形变的测试，使得测试数据准确，为研究复合薄膜的形变现象提供的依据。
本发明的目的还在于提供一种所述柔性复合薄膜曲面形变的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1：安放控制系统1，压力控制器15，微泵14，光源3，二维显微载物台11，样品池4，复合薄膜6，挡板7，微距成像装置10，图像采集处理系统12，并且使挡板7在垂直方向与样品池错位；
S2：调节光源3、微距成像装置10高度，使光源3、样品池4、微距成像装置10三者水平高度一致，调试所有实验原件，使其工作正常；
S3：调节微泵14，经压力控制器15向样品池中注入液体，增加样品池中液体压强，从而获得复合薄膜6上凸形变；
S4：调节光源3强度，使硅胶薄膜6清晰完整地在微距成像装置上投影；
S5：调节挡板7的高度，挡板向下移动，逐渐遮挡投影到微距成像装置10上的部分光源，并且与照射复合薄膜6直射到微距成像装置10上的图像形成交点，在图像采集系统12上依次描绘出这些点；
S6：图像采集系统12通过对投影图像的二值化处理，在图像采集系统12上描绘出较多的点，依次连接该多个点，得到复合薄膜6形变后的轮廓曲线；
S7：图像采集系统12计算轮廓曲线的曲率，并利用已知的样品池内的压力，获得样品池内的压力与复合薄膜形变曲率之间的对应关系。
S8：重复步骤S3-S7，对不同的液体压强参数条件下多层柔性材料曲面的形变进行测试。
本发明的柔性复合薄膜曲面形变的检测方法，利用上述的检测装置，通过相应的参数的控制，可以实现控制由微距成像装置获得样品池上的复合薄膜在液体压力与空气压力作用下的形变图像，并由图像采集系统对采集的图像进行处理，从而获得复合薄膜形变后的轮廓曲线，并可以已知的样品池内的压力，获得样品池内的压力与薄膜形变曲率之间的对应关系，从而实现了对复合薄膜的形变的测试，使得测试数据准确，为研究复合薄膜的形变现象提供的依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。