一种基于全反射法的实际接触面积测量仪的制作方法

本发明属力学应用领域，涉及一种仪器，具体涉及一种基于全反射法的实际接触面积测量仪。

背景技术：

在接触力学中，接触表面实际接触面的测量一直都是一个难点。从宏观上看光滑、平整的表面，在显微镜下观察，却显示出表面由很多不规则的凸峰和凹谷所组成，这是在表面加工过程中形成的，无法避免。当两表面接触时，实际上只有表面上散落的一些独立的点发生接触，从宏观上看到的表面接触面积称之为名义接触面积，而散落在表面实际发生接触的接触点面积，称之为实际接触面积。即使在接触压力比较大的情况下，实际接触面积也只有名义接触面积的1％-2％。

目前，现有装置使用x光断层扫描技术或者超声波探测技术，以及一般光学观测，x光断层扫描设备昂贵，而且对试验件的制作要求高，超声波探测技术由于扫描时间的影响不能观测实际接触面积的动态变化，一般光学观测，对环境光线要求较高，而且对实际接触面积很小的区域无法精确拍摄，对实际接触面积大的软材料测量比较好，但对实际接触面积小的硬材料观测较差。

技术实现要素：

为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，采用该仪器，能够实现对接触材料的接触面实际接触面积的测量。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，包括设置用于放置实验材料的全反射接触盘，全反射接触盘放置在平台上，平台上还设置有用于对实验材料施加压力载荷的加载装置，全反射接触盘包括透明板夹具下盖，明板夹具下盖上开设有阶梯孔，阶梯孔内设置有透明光学玻璃板，透明光学玻璃板周向设置有一圈单色光灯带，阶梯孔上设置有明板夹具上盖；透明光学玻璃板下方设置有用于对实验材料拍照的ccd相机。

本发明进一步的改进在于，平台下方设置有相机支架，ccd相机设置在相机支架上。

本发明进一步的改进在于，单色光灯带连接有光源。

本发明进一步的改进在于，光源采用蓝光或紫光。

本发明进一步的改进在于，全反射接触盘为玻璃圆盘，单色光灯带为用led灯带，玻璃圆盘和lde灯带通过带法兰的圆环形加工件固定。

本发明进一步的改进在于，加载装置包括设置在平台上的支架，支架上设置有丝杠结构，丝杠结构包括竖直设置的丝杠，丝杠设置有丝杠螺母，丝杠的顶端设置有加压手柄，丝杠螺母底面上设置有推杆，推杆的底端设置有用于对实验材料施加压力的压头，压头上设置有压力传感器。

本发明进一步的改进在于，压力传感器通过过渡件与推杆的底端相连。

本发明进一步的改进在于，过渡件、压力传感器与压头上均开设有孔，通过螺母将过渡件与压力传感器相连，再通过压力传感器与压头相连。

本发明进一步的改进在于，压头底面上安装有用于力压加载的铝棒，铝棒另一端安装精密压力计，压力传感器下端设置有铝制压力垫片。

本发明进一步的改进在于，ccd相机采用1080p高清1600万像素hdmi工业相机，并配装放大倍数100倍的电子显微镜镜头。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过将实验材料放置在全反射接触盘上，通过加载装置对实验材料进行施加压力载荷，通过设置在透明光学玻璃板下方的ccd相机，可以直接观测一定压力载荷下，实验材料的实际接触面积的形貌，并测量出面积，也可以记录并测量在变载荷下实际接触面的演化过程。本发明利用全反射原理，使实际接触面积区域散射光线，与非接触区域对比度高，使得测量精度更高，实际接触面积演化观测更显著。本仪器的作用是在压力作用下，实验材料表面与刚性面的接触过程中实时监测实际接触面积的变化，对研究材料的力学性质，接触力学性质，材料的摩擦磨损性质，材料的密封性质，有辅助研究作用。本发明还具有以下优点：

(1)相比于传统的测量实际接触面积仪器，例如x光断层扫描和超声波检测，以及一般光学观测，本发明结构简单，造价更低，不需要昂贵的维护成本；

(2)传统测量实际接触面积的方式是直接利用相机观测，对环境光线要求较高，而且对实际接触面积很小的区域无法精确拍摄，本发明利用全反射原理，使实际接触面积区域散射光线，与非接触区域对比度高，光信号更容易被ccd相机捕捉，测量精度高，对实际接触面的测量精度可到达1平方微米；

(3)仪器操作简单，不需要复杂的试验过程，简单学习即可上手试验；

(4)对接触试验件的制备要求低，不但可以测量软物质的接触性质，例如橡胶，高分子材料，还可以对较硬的金属材料进行实验测量，测量材料种类齐全，还可直接使用工程实用件试验；

(5)功能多样，不但可以测量在固定载荷下，接触面的实际接触面积，还可以记录在动态变化的载荷下，实际接触面积的演化。

进一步的，通过设置铝制压力垫片，可以使得对实验材料施加的压力更均匀。

进一步的，通过ccd相机配装放大倍数100倍的电子显微镜镜头，使得拍摄照片精度可达1微米。

附图说明

图1为本发明主体总装示意图。

图2为全反射接触盘的示意图。

图3为力压头的示意图。

图4为轻载荷下ccd相机拍摄到的实际接触面积图像。

图5为重载荷下ccd相机拍摄到的实际接触面积图像。

图6为加载力与时间变化关系图。

图7为力加载过程中实际接触面积的变化图。

图8为力加载过程中实际接触面积与加载力关系变化图。

图中，1-加压手柄，2-丝杠，3-丝杠螺母，4-传感器组件，5-透明光学玻璃板，6-全反射接触盘，7-锁紧组件，8-透明板夹具上盖，9-单色光灯带，10-透明光学玻璃板，11-透明板夹具下盖，12-过渡件，13-压力传感器，14-压头，15-推杆，16-ccd相机。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

本发明解决的技术问题主要有两个：第一，实验材料在受到压力载荷时，利用本仪器可以将实际接触面积直接观测到，并且可以进行测量。第二，实验材料在收到动态压力的作用下，可以利用本仪器实时观测到实际接触面积的演化。

参见图1，本发明包括设置用于放置实验材料的全反射接触盘6，全反射接触盘6放置在平台5上，平台5上还设置有用于对实验材料施加压力载荷的加载装置，加载装置包括设置在平台5上的支架，支架上设置有丝杠结构，丝杠结构包括竖直设置的丝杠2，丝杠2设置有丝杠螺母3，丝杠2的顶端设置有加压手柄1，通过加压手柄1转动丝杠2，从而使得丝杠螺母3在竖直方向上进行上下移动，丝杠螺母3底面上设置有推杆15，支架上设置有用于对推杆15锁紧的锁紧组件7，推杆15的底端设置有用于对实验材料施加压力的压头14，压头14上设置有压力传感器13，参见图3，压力传感器13通过过渡件12与推杆15的底端相连。过渡件12、压力传感器13与压头14上均开设有孔，通过螺母将过渡件12与压力传感器13相连，再通过压力传感器13与压头14相连。

参见图2，全反射接触盘6包括透明板夹具下盖11，明板夹具下盖11为圆柱体，圆柱体上开设有阶梯孔，阶梯孔内设置有透明光学玻璃板10，透明光学玻璃板10周向设置有一圈单色光灯带，单色光灯带连接有光源，阶梯孔上设置有明板夹具上盖8。

平台下方设置有ccd相机16及相机支架，ccd相机16设置在相机支架上，ccd相机位于透明光学玻璃板10正下方，ccd相机16能够拍摄下轻载荷与重载荷两种情况下的实验材料实际接触面积图像。

本发明在使用时，高频率光在规定厚度光密介质(本发明的仪器采用光学玻璃)中会发生全反射，实验材料实际发生接触的部位(即实际接触面积)光介质发生改变(不再是空气)，从而改变光路，使实际接触面积处发生漫反射，漫反射所透射出的光被与接触面垂直的高精度ccd摄像机捕捉，经过电脑成像即可到接触面的微观实际接触面积。

本发明的仪器的关键部件即发生全反射的全反射接触盘，全反射接触盘相比较实验材料硬度更大，作为刚平面分析，材料为耐磨光学玻璃，盘面直径为30cm，厚度为1.5cm，具体尺寸大小根据试验所用光源频率以及试验件大小决定。全反射接触盘为玻璃圆盘，在玻璃圆盘周向均布有均匀散射的单色光灯带，单色光灯带为用led灯带，光源采用波长较短的蓝光或紫光。玻璃圆盘和lde灯带被两个带法兰的圆环形铝加工件固定为一体。

在垂直于透明光学玻璃10面正上方安装有丝杠支架用于放置丝杠，丝杠2为精密滚珠丝杠，压头14底面上安装有用于力加载的铝棒，铝棒另一端安装精密压力计，精密压力计的型号为斯巴拓sbt671圆柱形高精度压力传感器，压力传感器下端设置有铝制压力垫片，用于给实验材料加压。铝制压力垫片可以使得对实验材料施加的压力更均匀。

平台5为防震平台，平台上安装全反射接触盘和加压压头14，下方设置有用于放置ccd相机的支架，支架采用铝合金工业支架，支架底部安装防震橡胶滚轮，方便仪器挪动，并减小在拍摄过程中可能发生的震动。

本发明中的ccd相机采用顺华利的1080p高清1600万像素hdmi工业相机，并配装放大倍数100倍的电子显微镜镜头，连接计算机，可采用分析软件分析，拍摄照片精度可达1微米。

本发明在使用时，包括如下步骤：

参见图1-图3，本发明设计了一种实现材料接触过程中实际接触面积的测量与监测的装置，可以得到在不同压力载荷下实验材料实际接触面积的演化，对材料的接触力学属性做出评定。

步骤1，参见图4-图5，将实验材料块置于压头14下，打开全反射接触盘的光源，压力传感器与ccd相机连接电脑，将压头14定位至实验材料顶端后，开始加压试验，在进行力加载过程中，ccd相机所拍下的轻载荷与重载荷两种情况下的实验材料实际接触面积图像。

步骤3，参见图6，将压力传感器所得到的数据导入软件，绘制加载力随加载时间变化图。

步骤4，参见图7，将ccd相机设置为高速拍照模式，记录加载时间内的拍摄下的实际接触面积图像，记录频率为每秒25张图像，将图像导入软件，经过软件处理图像，统计出每张图像实际接触面的大小，并作图得到图7，力加载过程中实际接触面积的变化图。

完成步骤1到步骤4的试验步骤，通过软件可以自动绘制出力加载过程中实际接触面积与加载力关系变化图，试验完成。

本发明中采用的软件均为本领域技术人员公知的软件。

本发明能够实现观测实验材料再加载压力后，材料接触面与刚性面发生实际接触后，实际接触面积的测量，以及实际接触面积变化与加载力关系的测量评定。

本发明设计的实际接触面积测量仪具有通用性，完全可以推广几乎所有材料的实际接触面积测量。采用本发明后将解决以往接触材料难以直接观测实际接触面积的难题，为接触力学，密封学，摩擦学提供有利研究帮助。