本發(fā)明屬于分析及測量控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī)油膜厚度在線測量方法，特別是一種應(yīng)用于面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī)的基于光干涉技術(shù)的油膜厚度在線測量方法。

背景技術(shù)：
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摩擦副之間的油膜厚度是表征流體潤滑狀態(tài)的最重要參數(shù)，各國科學(xué)家提出了多種測量油膜厚度的方法，例如：電阻法、電容法、超聲波法、光干涉法、X射線透射法等，這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用測量條件，其中光干涉法因?yàn)榫雀?、直觀、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為測量油膜厚度和形狀的最有效方法之一。

光干涉法測量油膜厚度，常見如下三種類型：第一種是以白光為光源，通過分析干涉圖像的顏色來獲得膜厚；第二種是以單色光為光源，通過分析干涉圖像的光強(qiáng)變化來獲得膜厚；第三種是以兩種波長的光為光源，結(jié)合干涉圖像的顏色和光強(qiáng)來分析膜厚，其中第一種類型用白光做光源，可以在線測量點(diǎn)接觸彈流潤滑油膜厚度，但是該方法僅適合測量膜厚不超過1um的情況，不適合面接觸動壓潤滑油膜厚度1um以上的測量；第二種類型最高可測量膜厚可達(dá)到幾十微米，甚至更高，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需要進(jìn)行繁瑣干涉級次計(jì)數(shù)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理才能計(jì)算出膜厚；中國專利201410432296.4“一種雙色光干涉測量潤滑油膜厚度的方法”描述了上述第三種類型，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過一幅雙色光干涉圖像判斷出固定點(diǎn)的干涉級次，減少了干涉級次計(jì)數(shù)的工作量，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算膜厚的數(shù)據(jù)處理過程仍然很復(fù)雜；第二種和第三種類型，對膜厚測量人員要求較高，均需要掌握專業(yè)的光學(xué)知識，面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī)測量流體動壓潤滑狀態(tài)下油膜厚度可達(dá)幾十微米，要測量面接觸副在變載荷、變速度及勻速運(yùn)行實(shí)驗(yàn)過程中的膜厚變化情況，即使用上述方法，測量過程中仍然需要記錄多幅圖片，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)處理工作量仍然很大。因此，為觀察和記錄實(shí)驗(yàn)過程中的油膜厚度變化，提高實(shí)驗(yàn)效率，降低測量工作復(fù)雜性，降低對測量人員的要求，探索面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī)油膜厚度的在線測量方法是很有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，針對目前面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī)油膜厚度測量實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、對操作人員要求高、不能實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)獲得油膜厚度的不足，提供一種面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī)油膜厚度在線測量方法，能夠?qū)崟r(shí)顯示和自動記錄實(shí)驗(yàn)過程中油膜厚度的變化。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用紅綠雙色光做光源，在微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀(即面接觸潤滑實(shí)驗(yàn)機(jī))上實(shí)現(xiàn)膜厚在線測量，微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀上設(shè)置有3CCD彩色相機(jī)，能實(shí)時(shí)獲取滑塊和玻璃盤形成的面接觸副干涉圖像，干涉圖像經(jīng)圖像卡顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，具體過程為：

(1)獲取紅綠雙色光干涉圖像的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線：在玻璃盤上加注待測的潤滑油，并加載預(yù)定的載荷，在玻璃盤靜止?fàn)顟B(tài)下調(diào)整滑塊與玻璃盤，使干涉條紋呈豎直或水平方向，在垂直于干涉條紋的方向畫一條線，提取該條線上的紅光和綠光光強(qiáng)數(shù)據(jù)，分別記做I_r和I_g，用I_r減I_g得到紅綠雙色光的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線，繼續(xù)調(diào)整滑塊傾角，直至一維調(diào)制光強(qiáng)曲線出現(xiàn)3個(gè)以上拍波，對I_g數(shù)據(jù)，用文獻(xiàn)《面接觸潤滑油膜測量系統(tǒng)滑塊傾角的快速計(jì)算》方法，計(jì)算出滑塊傾角，記做α₁，用公式h_in＝B×α₁，計(jì)算滑塊入口處油膜厚度h_in，其中B表示滑塊寬度；

(2)選擇與膜厚具有對應(yīng)關(guān)系的追蹤目標(biāo)區(qū)域：從步驟(1)所述一維調(diào)制光強(qiáng)曲線出口側(cè)開始，依次選取要追蹤的目標(biāo)區(qū)域，記作C_i(i＝1,2,3...)，將C_i區(qū)域的光強(qiáng)值記作T＝{t(1),t(2),…t(i),…t(M)}，式中t(i)為C_i區(qū)域第i個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，M為C_i區(qū)域的像素?cái)?shù)；再根據(jù)C_i區(qū)域左邊緣距離出口處的距離和步驟(1)所計(jì)算的滑塊入口處膜厚h_in求出每個(gè)目標(biāo)區(qū)域左邊緣所對應(yīng)的膜厚h_i(i＝1,2,3...)，調(diào)整滑塊傾角到設(shè)定值α，用式x₁＝h₁/α計(jì)算出C₁左邊緣在設(shè)定傾角下的位置，用式N＝α/α₁×M計(jì)算設(shè)定傾角下對應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域像素?cái)?shù)N，將當(dāng)前一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上任意一點(diǎn)的光強(qiáng)值記作F(x)；

(3)使用光流算法和動態(tài)時(shí)間彎曲(DTW)算法，尋找追蹤目標(biāo)在當(dāng)前幀對應(yīng)一維光強(qiáng)曲線上的位置，計(jì)算出口處膜厚。

本發(fā)明所述步驟(3)的具體過程為：

(31)轉(zhuǎn)動玻璃盤，獲取當(dāng)前幀干涉圖像的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線，將當(dāng)前幀一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上任意一點(diǎn)的光強(qiáng)值記作G(x)，用Lucas-Kanade(簡稱LK)一維光流算法，計(jì)算當(dāng)前幀相對上一幀水平方向上偏移距離的近似值Δx，如下式所示：

式中：N為當(dāng)前幀一維調(diào)制光強(qiáng)曲線的像素?cái)?shù)量；G(x_k)，F(xiàn)(x_k)分為當(dāng)前幀和前一幀一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上第k個(gè)像素點(diǎn)的調(diào)制光強(qiáng)；x_k為一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上的第k個(gè)像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)；F′(x_k)為相鄰像素點(diǎn)的調(diào)制光強(qiáng)值的導(dǎo)數(shù)；

(32)在x₁+Δx左和右10個(gè)像素范圍內(nèi)，逐點(diǎn)提取一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上寬度為步驟(31)所算的N個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，記作R＝{r(1),r(2),…r(i),…r(N)}，其中r(i)為第i個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，N為像素?cái)?shù)，用動態(tài)時(shí)間彎曲算法(簡稱DTW)，先計(jì)算R與步驟(2)中T的歐式距離，生成矩陣D_M×N，矩陣元素記作：

d(i,j)＝|R(i)-T(j)|(i＝1…N,j＝1…M)

從D_M×N的(1，1)點(diǎn)開始用下式計(jì)算T和R的最佳匹配路徑，取g(0,0)＝0，計(jì)算到g(m,n)的值就是T和R最小累積距離：

上述x₁+Δx左和右10個(gè)像素范圍內(nèi)，所有像素點(diǎn)計(jì)算的g(m,n)的最小值所對應(yīng)的位置，即為上一幀C₁在當(dāng)前幀的位置x，x₁的值取為新計(jì)算的x值，用下式即可得到出當(dāng)前幀所對應(yīng)的滑塊出口處膜厚h_out：

h_out＝h₁-α·x

將當(dāng)前幀出口處膜厚h_out的值存儲并顯示，在玻璃盤旋轉(zhuǎn)過程中，循環(huán)用上述步驟(31)和(32)，即可在線測量出當(dāng)前幀對應(yīng)的滑塊出口處膜厚，特別地，當(dāng)C₁右邊緣移出一維調(diào)制光強(qiáng)曲線右端點(diǎn)時(shí)，選用C₂作追蹤目標(biāo)，依次類推。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀上實(shí)現(xiàn)油膜厚度的測量，不僅能在線測量穩(wěn)態(tài)膜厚，還能實(shí)時(shí)在線測量動態(tài)過程的膜厚變化，為觀察動態(tài)過程油膜變化規(guī)律提供有效手段，改變了原有實(shí)驗(yàn)裝置只能離線處理數(shù)據(jù)，不能實(shí)時(shí)測出膜厚的不足，提高實(shí)驗(yàn)效率，測量結(jié)果準(zhǔn)確。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明測量結(jié)構(gòu)原理示意圖，包括調(diào)整螺栓101、載荷102、加載杠桿103、滑塊104、玻璃盤105、顯微鏡106、紅綠雙色光激光光源107、3CCD彩色相機(jī)108和計(jì)算機(jī)109。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述特征條紋與膜厚對應(yīng)關(guān)系原理圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述干涉圖像。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述一維調(diào)制光強(qiáng)曲線。

具體實(shí)施方式：

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例：

本實(shí)施例采用中國專利200810249672.0公開的微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀，測量結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，測量結(jié)構(gòu)包括調(diào)整螺栓101、載荷102、加載杠桿103、滑塊104、玻璃盤105、顯微鏡106、紅綠雙色光激光光源107、3CCD彩色相機(jī)108和計(jì)算機(jī)109，加載杠桿103的左右兩側(cè)分別安裝有調(diào)整螺栓101，荷載102設(shè)置在兩個(gè)調(diào)整螺栓101中間，玻璃盤105的上表面加鍍鉻膜與二氧化硅膜(Cr+SiO₂)，反射率20％，表面粗糙度Ra為4nm，滑塊104放置在加載杠桿103和玻璃盤105之間，玻璃盤105下方放置有顯微鏡106，顯微鏡106分別與紅綠雙色光激光光源107和3CCD彩色相機(jī)108相連，計(jì)算機(jī)109內(nèi)安裝圖像采集卡，用于采集3CCD彩色相機(jī)108內(nèi)的圖像。

本實(shí)施例采用的滑塊104工作面尺寸為4mm×4mm，材料為軸承鋼，工作面表面粗糙度Ra控制為8～12nm，需精密研拋，以達(dá)到高的反射率；潤滑油選用PAO8；載荷102為4N；環(huán)境溫度控制在21±1℃，相對濕度控制在25±5％；紅綠雙色光激光光源107的波長分別為653nm和532nm，測量膜厚的具體過程為：

(1)獲取紅綠雙色光干涉圖像的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線：在玻璃盤105上加注待測的潤滑油PAO8，加載預(yù)定的載荷102為4N，在玻璃盤105靜止?fàn)顟B(tài)下調(diào)整滑塊104與玻璃盤105，3CCD彩色相機(jī)108實(shí)時(shí)獲取玻璃盤105與滑塊104形成的干涉圖像，干涉圖像顯示在計(jì)算機(jī)109的屏幕上，調(diào)整滑塊104與玻璃盤105的夾角，使干涉條紋呈豎直方向，在垂直于干涉條紋的方向畫一條線，如圖3所示，提取該條線上的紅光和綠光光強(qiáng)數(shù)據(jù)，分別記做I_r和I_g，用I_r減I_g得到紅綠雙色光的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線(如圖4所示)，繼續(xù)調(diào)整滑塊104的傾角，直至一維調(diào)制光強(qiáng)曲線出現(xiàn)3個(gè)以上拍波，對I_g數(shù)據(jù)，用文獻(xiàn)《面接觸潤滑油膜測量系統(tǒng)滑塊傾角的快速計(jì)算》方法，計(jì)算出滑塊傾角，記做α₁，用公式h_in＝B×α₁，計(jì)算滑塊入口處油膜厚度h_in，其中B表示滑塊寬度；

(2)選擇與膜厚具有對應(yīng)關(guān)系的追蹤目標(biāo)區(qū)域：從步驟(1)得到的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線(如圖4所示)出口側(cè)開始，依次選取要追蹤的目標(biāo)區(qū)域，記作C_i(i＝1,2,3...)，將C_i區(qū)域的光強(qiáng)值記作T＝{t(1),t(2),…t(i),…t(M)}，式中t(i)為C_i區(qū)域第i個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，M為所選C_i區(qū)域的像素?cái)?shù)；如圖2所示，根據(jù)C_i左邊緣距離出口處的距離和上一步驟所計(jì)算的滑塊入口處膜厚h_in求出每個(gè)目標(biāo)區(qū)域左邊緣所對應(yīng)的膜厚h_i(i＝1,2,3...)。調(diào)整滑塊傾角到設(shè)定值α，用式x₁＝h₁/α計(jì)算出C₁左邊緣在設(shè)定傾角下的位置，用式N＝α/α₁×M計(jì)算設(shè)定傾角α下對應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域像素?cái)?shù)N，將當(dāng)前一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上任意一點(diǎn)的光強(qiáng)值記作F(x)；

(3)使用光流算法和動態(tài)時(shí)間彎曲(DTW)算法，尋找追蹤目標(biāo)在當(dāng)前幀對應(yīng)一維光強(qiáng)曲線上的位置，計(jì)算出口處膜厚：轉(zhuǎn)動玻璃盤105，獲取當(dāng)前幀干涉圖像的一維調(diào)制光強(qiáng)曲線，將當(dāng)前幀一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上任意一點(diǎn)的光強(qiáng)值記作G(x)，用Lucas-Kanade(簡稱LK)一維光流算法，計(jì)算當(dāng)前幀相對上一幀水平方向上偏移距離的近似值Δx，如下式所示：

式中：N為當(dāng)前幀一維調(diào)制光強(qiáng)曲線的像素?cái)?shù)量；G(x_k)，F(xiàn)(x_k)分為當(dāng)前幀和前一幀一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上第k個(gè)像素點(diǎn)的調(diào)制光強(qiáng)；x_k為一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上的第k個(gè)像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)；F′(x_k)為相鄰像素點(diǎn)的調(diào)制光強(qiáng)值的導(dǎo)數(shù)；

在x₁+Δx左和右10個(gè)像素范圍內(nèi)，逐點(diǎn)提取一維調(diào)制光強(qiáng)曲線上寬度為步驟(2)所算的N個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，記作R＝{r(1),r(2),…r(i),…r(N)}，其中r(i)為第i個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值，N為像素?cái)?shù)，用動態(tài)時(shí)間彎曲算法(簡稱DTW)，先計(jì)算R與步驟(2)中T的歐式距離，生成矩陣D_M×N，矩陣元素記作：

d(i,j)＝|R(i)-T(j)|(i＝1…N,j＝1…M)

從D_M×N的(1，1)點(diǎn)開始用下式計(jì)算T和R的最佳匹配路徑，取g(0,0)＝0，計(jì)算到g(m,n)的值就是T和R最小累積距離，

上述x₁+Δx左和右10個(gè)像素范圍內(nèi)，所有像素點(diǎn)計(jì)算的g(m,n)的最小值所對應(yīng)的位置，即為上一幀C₁在當(dāng)前幀的位置x，x₁的值取為新計(jì)算的x值，用下式即可得到出當(dāng)前幀所對應(yīng)的滑塊出口處膜厚h_out：

h_out＝h₁-α·x

將當(dāng)前幀出口處膜厚h_out的值存儲并顯示在計(jì)算機(jī)109的屏幕上，在玻璃盤旋轉(zhuǎn)過程中，循環(huán)用上述步驟(3)，即可在線測量出當(dāng)前幀對應(yīng)的滑塊出口處膜厚，特別地，當(dāng)C₁右邊緣移出一維調(diào)制光強(qiáng)曲線右端點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選用C₂作追蹤目標(biāo)，依次類推得到出口處膜厚。