一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法，其中，所述装置包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。本发明专利技术将测量油膜灰度、油膜厚度的过程高度一体化和自动化，实用性更高；本发明专利技术考虑到了实际情况下平面油膜的厚度非均匀性，采用点对点测量方式，无需做理想化或平均化处理，数据置信度更高。本发明专利技术利用标记点进行坐标变换，给出了详细的数据匹配方案和过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法
本专利技术涉及表面摩阻实验
，特别涉及一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法。
技术介绍
摩阻是表面摩擦阻力的简称，它是流体力学和飞机运动学中不可忽视的关键指标。降低摩阻将直接导致飞行器的油耗下降、航程增加、有效载荷增加。据研究表面，通过分析现代大型明航客机的飞行阻，发现飞行时的摩阻占比高达50％，远远多于其他阻力项。此外，摩阻每下降1％，其碳排放和油耗将下降0.625％，因此，对于摩阻的研究具有及其重要的意义。目前被业界内广泛认可并使用的摩阻测量技术是油膜法。由Brown和Naughton提出的油膜演化方程如式(1)所示：式中：h为油膜的高度；t为时间；f为表面剪切力；η为油膜粘度；p为压力；d为油膜密度；g为重力加速度；Xi为油膜平面坐标。显然，若已知时间、油膜粘度、压力、密度、重力加速度和油膜平面坐标，则上式反映的是油膜高度h和表面剪切力f二者之间的关系。油膜法的理论原理即是通过测量待测物表面的油膜厚度变化来计算表面剪切力，进而可衡量其摩阻。故摩阻问题转换成了油膜厚度测量问题。现有的油膜厚度测量方法可分为直接测量和间接测量。直接测量法主要是利用光学测厚仪对指定区域直接测量得到厚度，该方法只能获得局部点的实际厚度，对于表面厚度不均匀的物体，需要大量排列布置光学测厚仪才能完成，极大地增加了实验成本，同时对安装位置要求非常高，故实际应用场景受限；间接测量主要是通过建立油膜厚度和某个便于测量的变量之间的数学模型，在误差允许范围内得到二者的映射关系，进而可以更加方便地通过测量变量值来计算出对应的油膜厚度值，测量范围更广、成本更低，应用广泛。目前间接测量广泛采用的模型是厚度-灰度模型，通过测量得到大量厚度值和其对应的灰度值，建立起理论模型，最后再用实际数据进行测试，检测误差并完善模型。然而，基于表面摩阻的油膜厚度测量现有方案存在极大的弊端：一部分方案直接将油膜灰度与厚度关系理想化为完美的线性关系，通过光强间接测厚，而在真实实验情况下，由于油膜密度不均、粘度不适、光强不均等问题，其关系仅在某一特殊厚度区间内保持近似的线性关系；另一部分方案的测量方式或装置存在较大的误差，均无法实现油膜真实灰度值与真实厚度值的精准匹配，导致数据失真、映射模型误差过大等问题。鉴于此，基于全局摩阻实验，专利技术了一种油膜厚度在线测量装置和方法，可以实现点对点的测量，得到真实的映射关系，此测量过程更简单，灰度-厚度的匹配精度更高。现有技术一：文献《基于荧光油膜的全局表面摩阻测量研究》、文献《Globalskinfrictiondiagnosticsinseparatedflowsusingluminescentoil》均指出公式：I(X1,X2)＝a*Iex(X1,X2)*h(X1,X2)(2)其中I表示油膜辐射光强，Iex表示平板辐射光强，a是与光强有关的比列系数，h是油膜厚度。上式表示光强与厚度是严格的线性关系。现有技术一的缺点：在实际实验的情况下，由于光照不均、油膜密度不均、设备误差等问题，难以实现二者的严格线性关系，仅会在一定的厚度区间内保持近似的线性关系，故现有技术一计算出的表面摩阻将有较大的人为误差。现有技术二：公开号为CN111412544的专利公布了一种基于溢油扩展实验的油膜厚度检测方法。如图1所示，其主要包括三个步骤：步骤A：根据预设的图像灰度-油膜厚度映射关系计算生成目标油品对应的图像灰度油膜厚度映射模型；步骤B：获取目标油品在待测区域内的油膜图像，并对目标油品的油膜图像进行图像灰度处理得到相应的油膜灰度图像；步骤C：计算目标油品油膜灰度图像的图像灰度，然后根据目标油品的图像灰度-油膜厚度映射模型计算生成目标油品相应的油膜厚度。步骤A包括以下步骤：步骤A1：在放置有实验用水的实验容器中注入一定质量的目标油品；步骤A2：待目标油品在实验用水中扩展至铺满实验容器表面时，采集相应的油膜图像并计算相应的油膜厚度；然后对油膜图像进行图像灰度处理并计算得到相应的图像灰度；步骤A3：重复步骤A1和步骤A2多次，得到多组目标油品的图像灰度和相应的油膜厚度的数据组；现有技术二的缺点：在步骤A2中提到的油膜厚度计算方法是利用注入油品的质量、油品的密度、容器表面积，通过密度公式实现的。然而，在实际实验中，由于油品具有粘性，难以均匀扩展开，尤其是在与容器相接触的部分会凸起，如图1所示。这就导致无法形成理想的薄圆柱体油膜，计算得到的厚度值并非真实厚度值。现有技术三：公开号为CN112050745A的专利公布了一种物体表面油膜厚度在线测量装置，如图2所示，该装置包括物体放置平台、龙门架、光源系统和光电传感器等。光电传感器8用于测量油膜厚度，可在龙门架上轴向移动；下方的物体放置平台连接有传送带4，可以实现另一个方向的移动；两个移动方向构成xy坐标系，故可以连续测量得到下方平台上油膜的实际的厚度。现有技术三的缺点：该装置属于厚度直接测量，由于测得的单个厚度值只能代表一个微小区域的情况，只能适用于测量工作量较小的工作场景，若待测区域过大，所需时间将大大延长，一方面将直接影响工作效率，另一方面持续长时间的工作也会影响电机和运动单元的性能，增大误差。若能建立起油膜厚度-灰度映射模型，即可通过处理指定区域的图像信息，代入映射模型迅速得到该区域的油膜厚度分布，极大的减少了测量时间。现有技术四：公开号为CN108225718A的专利中提出了一种无需光学测厚仪即可建立油膜灰度-厚度映射模型的装置。示意图如图3所示，该装置由1、3、4三块平板搭建而成，其中3是透明平板。三块平板间形成了三角形缝隙，在其缝隙中填入油膜，由三块平板的尺寸可求得此三角形缝隙的长度和尺寸参数，故可得到此缝隙中指定位置的油膜高度。用相机拍摄此装置并进行灰度化处理，可得到三角形油膜区域的灰度信息，进而可根据厚度和灰度的对应关系进行建模。现有技术四的缺点：由于油膜始终具有流动性，在无外物限制的情况下油品总是趋于往低处流动，此装置前后方位并未设置挡板，高处的油必定会扩散出去，这将导致平板1和平板3的接触区域难以饱满填充，达不到理想高度，影响模型精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法，其最大特点是可以建立更为真实的油膜厚度-灰度模型，且没有忽略油膜的厚度不均匀性，使得表面摩阻测量更为精准。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。进一步地，所述油膜平台包括油膜板和黑色背景板，所述油膜板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。


2.根据权利要求1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述油膜平台包括油膜板和黑色背景板，所述油膜板安装固定在黑色背景板上，所述黑色背景板安装固定在xy双轴滑台上，所述黑色背景板表面贴有白色标记点。


3.根据权利要求2所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述油膜板为方形油膜板，所述白色标记点的中心与方形油膜板左上角点水平距离为1cm，以用于后续建立厚度坐标系和灰度坐标系的转换关系。


4.根据权利要求1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述CCD相机通过U型相机夹具可调节高度设置在铝型材框架上，可实现清晰对焦。


5.根据权利要求1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述测厚仪通过测厚仪夹具和测厚仪固定板可调节高度设置在铝型材框架上。


6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：首先将测量装置完好安装，在油膜板上涂一层薄油；
步骤B：使用上位机控制xy双轴滑台低速运动到CCD相机的正下方，拍摄本次油膜的图像，并进行后台处理得到相应的灰度图像，由灰度重心法可得白色标记点中心的像素坐标，由于标记点中心与油膜板角点距离为1cm，进行转换可得角点的像素坐标；
步骤C：控制xy双轴滑台运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：董秀成，王超，古世甫，钱泓江，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川;51