一種雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法，計(jì)先算鋼球和玻璃盤之間潤滑油膜厚度的紅綠雙色光干涉三刺激值，再測(cè)量記錄不同滑動(dòng)速度和不同加載荷條件下的鋼球和玻璃盤接觸區(qū)潤滑油膜厚引起的光干涉圖像，分析距離接觸中心最近的黑色特征條紋的G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線，確定整個(gè)干涉圖像中所有條紋的具體級(jí)數(shù)，計(jì)算得到具體的膜厚分布，實(shí)現(xiàn)潤滑油膜厚度的測(cè)量；其測(cè)量過程簡單，測(cè)量效率高，獲取到比白光干涉大3倍的量程，便于測(cè)量不同滑動(dòng)速度和不同載荷下整個(gè)接觸區(qū)的油膜厚度分布。
【專利說明】一種雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法， 特別是一種利用雙色光干涉和相對(duì)光強(qiáng)原理測(cè)量機(jī)械接觸副之間納米至亞微米量級(jí)潤滑 油膜厚度的方法，適用于測(cè)量彈性流體動(dòng)力潤滑、流體動(dòng)壓潤滑及其他潤滑狀態(tài)下不同速 度、載荷的接觸區(qū)內(nèi)的膜厚分布。

【背景技術(shù)】：
[0002] 在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件之間形成足夠厚度的油膜，將兩個(gè)表面分割開來，是降低摩擦，避 免磨損的重要手段。目前，光干涉法是測(cè)量潤滑油膜厚度最有效的方法之一，它利用形成 的干涉條紋對(duì)油膜厚度和形狀進(jìn)行推算。1965年，Cameron等人提出了球-盤接觸的測(cè) 量結(jié)構(gòu)，利用光干涉技術(shù)首次觀察到帶有出口頸縮的經(jīng)典馬蹄形油膜形狀，開拓了光彈流 (Optical Elastohydrodynamics)研究領(lǐng)域，后經(jīng)改進(jìn)，確定了玻璃盤、分光層（Cr膜）、墊 層（Si02)、潤滑油和鋼球的光學(xué)測(cè)量配置，其中分光Cr膜的引入極大提高了干涉條紋的對(duì) 比度，墊層技術(shù)的提出減小了可測(cè)膜厚下限。根據(jù)使用光源的不同，光干涉法分為單色光 干涉法和白光干涉法，單色光干涉法通過干涉條紋級(jí)次計(jì)數(shù)及分析明暗條紋間光強(qiáng)的變化 來判斷油膜厚度，結(jié)合黃平、雒建斌等提出的相對(duì)光強(qiáng)法（R0II)和青島理工大學(xué)郭峰提出 的MBI測(cè)量方案，分辨率為0. 85nm，量程達(dá)5 μ m ;但在測(cè)量中需要從速度為0時(shí)連續(xù)拍攝照 片，從圖像歷史記錄中數(shù)出干涉級(jí)次，這樣不但效率低下，而且在高速動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)常會(huì)丟失 級(jí)次，導(dǎo)致膜厚誤判；白光干涉法利用干涉圖像中色彩坐標(biāo)的變化推算油膜厚度，無需確定 干涉條紋級(jí)次；但是隨膜厚的增加，形成相長干涉的波長范圍增加，干涉條紋的對(duì)比度和色 彩飽和度衰減嚴(yán)重，對(duì)于白光干涉，其最高可測(cè)膜厚一般不超過1 μ m，而且測(cè)量的精度依賴 于嚴(yán)格的標(biāo)定過程，標(biāo)定過程的很多因素，如靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)測(cè)量中接觸表面的曲率不同 等將會(huì)引起測(cè)量的誤差。為了在保證測(cè)量精度條件下提高可測(cè)最大油膜厚度，研究人員也 采用雙色或三色光進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際是單色光干涉和白光干涉的折衷，Lord等提出了基于三 色光干涉的偽相步進(jìn)測(cè)量方法，但由于技術(shù)復(fù)雜，并沒有得到推廣；青島理工大學(xué)郭峰、趙 國壘在其論文《油膜厚度測(cè)量的雙色光干涉光強(qiáng)調(diào)制方法》中提出G-R雙色光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)， 嘗試用一張圖像信息處理膜厚，避免單色光對(duì)歷史圖像級(jí)次的依賴，但僅利用了一個(gè)調(diào)制 波拍周期，量程僅為1 μ m，不能滿足高膜厚的測(cè)量需求，更關(guān)鍵的是雙光束理論計(jì)算的調(diào)制 曲線的極值點(diǎn)和實(shí)際測(cè)量中極值點(diǎn)大小偏差較大，導(dǎo)致該方法在實(shí)際測(cè)量中無法應(yīng)用。因 此，探索一種大量程、高精度、方便可行的方法對(duì)納米/亞微米潤滑油薄膜厚度進(jìn)行測(cè)量是 很有必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有測(cè)量方法中單色光繁瑣的干涉級(jí)次計(jì)數(shù)和其他干涉 技術(shù)量程小的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法，能將光學(xué)量 程擴(kuò)展到4 μ m，可通過一幅雙色干涉圖像準(zhǔn)確判斷出固定點(diǎn)的干涉級(jí)次，然后再利用單色 紅光光強(qiáng)分布按照相對(duì)光強(qiáng)法實(shí)現(xiàn)接觸副間變載荷或變速度工況下動(dòng)態(tài)納米/亞微米潤 滑油膜厚度的高效測(cè)量。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用雙色光油膜潤滑試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)潤滑油膜厚度的測(cè) 量，雙色光油膜潤滑試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置有實(shí)時(shí)捕獲鋼球和玻璃盤接觸副間的油膜干涉圖像的 3CCD彩色相機(jī)，經(jīng)過圖像卡傳輸給計(jì)算機(jī)顯示和存儲(chǔ)，其具體測(cè)量步驟包括：
[0005] (1)、計(jì)算鋼球和玻璃盤之間潤滑油膜厚度從lnm到4500nm對(duì)應(yīng)的紅綠雙色光干 涉三刺激值，即油膜干涉系統(tǒng)紅綠RG相對(duì)光強(qiáng)分布；利用顏色相加原理和顏色復(fù)現(xiàn)方程 式，對(duì)光譜敏感特性分別為f κ ( λ )、fe ( λ )、fB ( λ )的3CCD彩色相機(jī)的3CCD (RGB)彩色相機(jī) 獲得的顏色三刺激值為
[0006]

【權(quán)利要求】
1. 一種雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法，其特征在于采用雙色光油膜潤滑試驗(yàn)臺(tái) 實(shí)現(xiàn)潤滑油膜厚度的測(cè)量，其具體測(cè)量步驟包括： (1) 、計(jì)算鋼球和玻璃盤之間潤滑油膜厚度從lnm到4500nm對(duì)應(yīng)的紅綠雙色光干涉三 刺激值，即油膜干涉系統(tǒng)紅綠RG相對(duì)光強(qiáng)分布；利用顏色相加原理和顏色復(fù)現(xiàn)方程式，對(duì) 光譜敏感特性分別為f K ( λ )、fe ( λ )、fB ( λ )的3CCD彩色相機(jī)的3CCD (RGB)彩色相機(jī)獲得 的顏色三刺激值為
其中，C表示R(紅）、G (綠）、B (藍(lán)）三刺激值，S ( λ )為所用紅綠雙色光源的光譜能量 分布函數(shù)，k為調(diào)節(jié)系數(shù)，k的取值范圍在0到1之間，目的在于使三刺激值均歸一化，Ih( λ ) 為每一波段λ上膜厚為h處的干涉光強(qiáng)，玻璃盤界面的干涉光強(qiáng)I按照公式
進(jìn)行計(jì)算，其中表示反射光的電向量，m =1,2,……，下標(biāo)0代表玻璃介質(zhì)，直接玻璃盤界面反射而來，其他反射光均經(jīng)過玻璃 盤以下各層的反射和投射；然后沿潤滑油膜厚度從Onm增加到4500nm，將綠光的歸一化光 強(qiáng)減去紅光的歸一化光強(qiáng)得到雙色調(diào)制光強(qiáng)G-R，并以此繪制出膜厚與G、R、G-R相對(duì)光強(qiáng) 的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系曲線圖；G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線對(duì)膜厚的變化呈現(xiàn)調(diào)制波的特征，該曲線極值 點(diǎn)的大小與膜厚存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，與之對(duì)應(yīng)的雙色光干涉圖像在每個(gè)調(diào)制波拍分界處 呈現(xiàn)出黑色特征條紋；對(duì)采用的中心波長分別為653nm和532nm的紅綠雙色激光光源，計(jì)算 結(jié)果顯示G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線中每個(gè)波拍對(duì)應(yīng)的光學(xué)厚度為1408nm，每個(gè)波拍均包含10個(gè) 極值點(diǎn)，相鄰的波拍并非完全相同，對(duì)計(jì)算出的4500nm膜厚范圍內(nèi)雙色光干涉圖像的黑色 特征條紋位置計(jì)算歸一化紅綠光強(qiáng)值后作出G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線后，取曲線每個(gè)波拍上第8 個(gè)和第9個(gè)極值點(diǎn)光強(qiáng)值的絕對(duì)值之和SUM作為判據(jù)區(qū)分前三個(gè)波拍，發(fā)現(xiàn)SUM值在1. 0 到1. 8之間為第一波拍，SUM值在1. 8到2. 8之間則屬于第二波拍，SUM值在2. 5到3. 2之 間為第三波拍，其中前三個(gè)波拍第8個(gè)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)單色紅光干涉的干涉級(jí)次分別為（4, 4)、 (8,8), (12, 12)； (2) 、測(cè)量記錄滑動(dòng)速度大于Omm/s時(shí)的鋼球和玻璃盤接觸區(qū)潤滑油膜厚引起的光干 涉圖像，分析距離接觸中心最近的黑色特征條紋的G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線，同時(shí)計(jì)算第8個(gè)和第 9個(gè)極值點(diǎn)光強(qiáng)值絕對(duì)值之和并與計(jì)算得到的SUM值對(duì)比出所屬拍波段，以及第8個(gè)極值點(diǎn) 所在位置對(duì)應(yīng)紅光的干涉級(jí)次；然后與計(jì)算得到的〇?4500nm紅光的膜厚相對(duì)光強(qiáng)曲線對(duì) 照，得出此滑動(dòng)速度下的中心干涉區(qū)的具體干涉級(jí)數(shù)，從而確定整個(gè)干涉圖像中所有條紋 的具體級(jí)數(shù)，然后利用干涉原理計(jì)算得到具體的膜厚分布；利用相同方法連續(xù)記錄不同滑 動(dòng)速度的鋼球和玻璃盤接觸區(qū)潤滑膜引起的光的干涉圖像，從而得到不同滑動(dòng)速度下的中 心接觸區(qū)干涉級(jí)次和膜厚分布； (3) 、測(cè)量記錄加載杠桿施加載荷條件下鋼球和玻璃盤接觸區(qū)潤滑膜引起的干涉圖像， 測(cè)量得出此載荷下距離接觸區(qū)中心最近的黑色特征條紋的G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線，同時(shí)利用第 8個(gè)和第9個(gè)極值點(diǎn)光強(qiáng)值絕對(duì)值之和判斷出第8個(gè)極值點(diǎn)所在位置對(duì)應(yīng)紅光的干涉級(jí)次； 然后與計(jì)算得到的〇?4500nm紅光的膜厚-相對(duì)光強(qiáng)曲線對(duì)比得出此速度下的中心干涉 區(qū)的具體干涉級(jí)數(shù)，從而確定整個(gè)干涉圖像中所有條紋的具體級(jí)數(shù)，然后利用干涉原理計(jì) 算得到具體的膜厚分布，實(shí)現(xiàn)潤滑油膜厚度的測(cè)量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法，其特征在于所述雙色 調(diào)制光強(qiáng)G-R的獲取過程具體包括：先通過3CCD彩色相機(jī)存儲(chǔ)干涉圖像；再記錄轉(zhuǎn)速和/ 或載荷，然后獲取干涉圖像指定區(qū)域的紅光和綠光光強(qiáng)值并存儲(chǔ)，分別輸出紅光和綠光光 強(qiáng)的最大值和最小值；利用公式
計(jì)算所述區(qū)域的雙色調(diào)制光強(qiáng)G-R。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法，其特征在于所述G-R 調(diào)制光強(qiáng)曲線中第8個(gè)和第9個(gè)極值點(diǎn)的判斷方法具體包括：首先獲取干涉圖像黑色特征 干涉條紋處的G-R調(diào)制光強(qiáng)隨像素點(diǎn)坐標(biāo)的變化；然后找出G-R調(diào)制光強(qiáng)曲線的極值點(diǎn)上 光強(qiáng)絕對(duì)值小于〇. 5的所有極值點(diǎn)的位置，即0區(qū)，包含并代表一個(gè)波拍結(jié)束的位置；其次， 從0區(qū)向接觸中心方向，即接觸副間隙和膜厚相對(duì)減小的方向，靠近0區(qū)最近的絕對(duì)值大小 近似相等的一組相鄰極值點(diǎn)即為第8和第9極值點(diǎn)，其中G-R值小于0的為第8極值點(diǎn)，大 于〇的為第9極值點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙色光干涉測(cè)量潤滑油膜厚度的方法，其特征在于所述雙 色光干涉油膜潤滑試驗(yàn)臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)包括試驗(yàn)臺(tái)底座、紅綠雙色激光光源、旋轉(zhuǎn)毛玻璃、光 纖、計(jì)算機(jī)、3CCD彩色相機(jī)、同軸照明顯微鏡、玻璃盤、鋼球、加載杠桿、彈簧拉力計(jì)、球托和 伺服電機(jī)，試驗(yàn)臺(tái)底座上安裝置有玻璃盤、加載杠桿和伺服電機(jī)，玻璃盤為透明圓形結(jié)構(gòu)； 加載杠桿的一端上方置有球托，另一端下方與彈簧拉力計(jì)連接；球托上固定有鋼球，鋼球 和玻璃盤之間的滾道上加入潤滑油形成潤滑油膜；紅綠雙色激光光源放置在試驗(yàn)臺(tái)底座 上，紅綠雙色激光光源的前側(cè)放置有旋轉(zhuǎn)毛玻璃，旋轉(zhuǎn)毛玻璃和同軸照明顯微鏡之間設(shè)有 光纖，紅綠雙色激光光源發(fā)出的光穿過旋轉(zhuǎn)毛玻璃濾波后，經(jīng)光纖導(dǎo)入同軸照明顯微鏡，最 終垂直射向同軸照明顯微鏡的觀察區(qū)域；通過彈簧拉力計(jì)對(duì)加載杠桿施加載荷實(shí)現(xiàn)不同載 荷下潤滑油膜厚度的測(cè)量；伺服電機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)底座上帶動(dòng)玻璃盤旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)接觸區(qū)轉(zhuǎn) 速為Omm/s到1. 5m/s，實(shí)現(xiàn)玻璃盤不同轉(zhuǎn)速下膜厚的測(cè)量；同軸照明顯微鏡正上方連接有 3CCD彩色相機(jī)，3CCD彩色相機(jī)實(shí)時(shí)捕獲干涉圖像，并將干涉圖像傳輸?shù)窖b有圖像采集卡的 計(jì)算機(jī)中顯示或保存。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK104154870SQ201410432296
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】劉海超, 郭峰, 趙國壘 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)