一种基于全反射法的实际接触面积测量仪制造技术

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。本发明专利技术利用全反射原理，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全反射法的实际接触面积测量仪
本专利技术属力学应用领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术进一步的改进在于，平台下方设置有相机支架，CCD相机设置在相机支架上。本专利技术进一步的改进在于，单色光灯带连接有光源。本专利技术进一步的改进在于，光源采用蓝光或紫光。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，压力传感器通过过渡件与推杆的底端相连。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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。本专利技术进一步的改进在于，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，本专利技术具有的有益效果：本专利技术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。本专利技术利用全反射原理，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。本专利技术还具有以下优点：(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，本专利技术结构简单，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，本专利技术利用全反射原理，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为本专利技术主体总装示意图。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，对本专利技术技术方案进一步说明。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术在使用时，高频率光在规定厚度光密介质(本专利技术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(即实际接触面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征在于，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，全反射接触盘(6)包括透明板夹具下盖(11)，明板夹具下盖(11)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，阶梯孔上设置有明板夹具上盖(8)；透明光学玻璃板(10)下方设置有用于对实验材料拍照的CCD相机。

【技术特征摘要】
1.一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征在于，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，全反射接触盘(6)包括透明板夹具下盖(11)，明板夹具下盖(11)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，阶梯孔上设置有明板夹具上盖(8)；透明光学玻璃板(10)下方设置有用于对实验材料拍照的CCD相机。2.根据权利要求1所述的一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征在于，平台(5)下方设置有相机支架，CCD相机设置在相机支架上。3.根据权利要求1所述的一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征在于，单色光灯带连接有光源。4.根据权利要求3所述的一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征在于，光源采用蓝光或紫光。5.根据权利要求1所述的一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征在于，全反射接触盘(6)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。6.根据权利要求1所述的一种基于全反射法的实际接触面积测量仪，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊涛，梁轩铭，邢宇哲，王刚锋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61