一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备，包括外部结构框架机构、加载机构、光照机构及数据采集机构；外部结构框架机构包括顶部连接板、中间连接板、底部连接板及结构框架；加载机构包括滑杆、弹簧、水平加载电机、垂直加载液压伺服电机及减速器；光照机构包括钢化玻璃及玻璃夹具；数据采集机构包括三维移动平台、高灵敏度相机、三向力传感器及样品夹具，该设备能够实时观测物体接触过程中的接触界面。物体接触过程中的接触界面。物体接触过程中的接触界面。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备


[0001]本技术涉及一种联动式多功能微纳观接触行为观测设备，具体涉及一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备。

技术介绍

[0002]目前对于摩擦行为的认识多停留于摩擦力正比于法向载荷，认为两个相互作用面是完全接触，但实际的接触过程是复杂的。尤其当关注尺寸缩小至微米和纳米级别时，传统的摩擦学认知已经无法完美地解决两物体之间的实际接触问题。在微米和纳米级别时，接触表面是粗糙的且表面高度是随机分布的，因此接触过程是一个随机的过程，也是不完全接触的过程。随着加载的不断增大，两物体之间的接触会更加全面。但这个过程中的真实的接触行为是目前常规手段无法测量或者观测的，这主要受限于当两个接触面发生接触时的空间的狭小和光线的不足。因此，常规的仪器和观测手段无法进行安装和测量。但仍有部分方法可以间接对接触行为进行测量：电阻法、中子照射法、光学法。电阻法是通过对接触两个物体进行通电，测试电流变化，通过接触面积、电阻、电流和电压之间的物理关系，间接推算出接触面积的大小。可是该方法由于电热现象，会在微观的接触界面产生热量，致使接触点温度升高，影响接触面积和电阻，致使测量结果不准确。中子照射方法目前技术成本和价格很高，一般机构和单位无法进行制作和购买。但光学法可以直接观测到接触过程，做到实时追踪其接触区域的演变，并且由于光的无体积限制，在原理上是可以对原子级别接触进行观测。
[0003]目前现有的技术利用光学手段可以观测和表征裸露在空中的物体表面，并对表面的形貌进行分析，但无法做到对两物体间的接触过程进行观测和表征。中国专利CN2037048886U虽然可以对物体的表面平面度进行测量，但无法做到接触物体接触时的观测。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备，该设备能够实时观测物体接触过程中的接触界面。
[0005]为达到上述目的，本技术所述的基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备包括外部结构框架机构、加载机构、光照机构及数据采集机构；
[0006]外部结构框架机构包括顶部连接板、中间连接板、底部连接板及结构框架；加载机构包括滑杆、弹簧、水平加载电机、垂直加载液压伺服电机及减速器；光照机构包括钢化玻璃及玻璃夹具；数据采集机构包括三维移动平台、高灵敏度相机、三向力传感器及样品夹具；
[0007]中间连接板设置于结构框架的顶部，顶部连接板位于中间连接板的上方，底部连接板固定于结构框架的底部；
[0008]水平加载电机固定于中间连接板上，滑杆的端部通过支座固定于中间连接板上，
滑杆上套接有滑块，其中，玻璃夹具固定于滑块上，水平加载电机的输出端与玻璃夹具之间通过弹簧连接；
[0009]高灵敏度相机的侧面设置有点光源孔，所述点光源孔内插入有点光源，点光源发出的光线能够通过高灵敏度相机内部的镜面反射，再从镜头垂直照射到样品表面，再反射被高灵敏度相机捕捉，钢化玻璃置于玻璃夹具的内部梯形孔中；高灵敏度相机设置于三维移动平台上；
[0010]垂直加载液压伺服电机固定于底部连接板上，三向力传感器固定于垂直加载液压伺服电机的输出轴上，样品夹具与三向力传感器的顶部相连，样品夹持于样品夹具上。
[0011]中间连接板与顶部连接板之间通过第一支撑杆相连接。
[0012]垂直加载液压伺服电机连接有减速器。
[0013]还包括环形光圈；环形光圈沿钢化玻璃圆周缠绕一周。
[0014]所述三维移动平台包括相机垂直运动步进电机、相机x方向步进电机、相机x方向运动导轨、相机y方向运动导轨及相机y方向步进电机；
[0015]高灵敏度相机与相机z方向运动导轨相连，相机z方向运动导轨固定于相机x方向运动导轨上，相机x方向运动导轨固定于相机y方向运动导轨上，利用相机垂直运动步进电机、相机x方向步进电机及相机y方向步进电机分别与相机z方向运动导轨、相机x方向运动导轨及相机y方向运动导轨相连接。
[0016]高灵敏度相机与相机z方向运动导轨通过相机固定夹具相连。
[0017]底部连接板与中间连接板之间通过若干第二支撑杆相连接，背部连接板固定于各第二支撑杆上，垂直加载液压伺服电机固定于背部连接板上。
[0018]顶部连接板、中间连接板及底部连接板平行设置。
[0019]本技术具有以下有益效果：
[0020]本技术所述的基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备在具体操作时，采用内抑式全反射方法测量面积，摆脱接触空间及检测设备体积的限制，能够直观精确的观察接触界面的演化，另外，本技术采用三维移动平台控制高精度相机运动，不仅可以实现原位捕捉被观察对象的变化，也可以精确的地调整高精度相机的对焦位置，使得成像更清晰，被观测对象的变化更易被捕捉。同时需要说明的是，本技术采用联动式多位一体化控制，能够同时控制高精度相机、玻璃夹具、样品不同方向运动，实现跟踪式实时记录观察接触界面演化。
[0021]进一步，利用减速器与垂直加载液压伺服电机相配合，可以实现精度为1μm/s的位移速度加载，大幅提高控制精度，实现准静态加载控制，对微观和介观现象的捕捉具有非常大的帮助。
[0022]进一步，通过点光源对被测物体表面进行光强补偿并调节补偿强度，使成像更清晰。
附图说明
[0023]图1为本技术的实体结构三维图；
[0024]其中，1为相机垂直运动步进电机、2为相机固定夹具、3为相机x方向步进电机、4为相机x方向运动导轨、5为相机y方向运动导轨、6为相机y方向步进电机、7为高灵敏度相机、8
为点光源孔、9为顶部连接板、10为钢化玻璃、11为玻璃夹具、12为滑杆、13为弹簧、14为水平加载电机、15为中间连接板、16为样品夹具、17为三向力传感器、18为垂直加载液压伺服电机、19为背部连接板、20为减速器、21为底部连接板、22为结构框架、23为第一支撑杆、24为环形光圈、25为相机z方向运动导轨。
具体实施方式
[0025]为了使本
的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本技术公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本技术公开的概念。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0026]在附图中示出了根据本技术公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备，其特征在于，包括外部结构框架机构、加载机构、光照机构及数据采集机构；外部结构框架机构包括顶部连接板(9)、中间连接板(15)、底部连接板(21)及结构框架(22)；加载机构包括滑杆(12)、弹簧(13)、水平加载电机(14)、垂直加载液压伺服电机(18)及减速器(20)；光照机构包括钢化玻璃(10)及玻璃夹具(11)；数据采集机构包括三维移动平台、高灵敏度相机(7)、三向力传感器(17)及样品夹具(16)；中间连接板(15)设置于结构框架(22)的顶部，顶部连接板(9)位于中间连接板(15)的上方，底部连接板(21)固定于结构框架(22)的底部；水平加载电机(14)固定于中间连接板(15)上，滑杆(12)的端部通过支座固定于中间连接板(15)上，滑杆(12)上套接有滑块，其中，玻璃夹具(11)固定于滑块上，水平加载电机(14)的输出端与玻璃夹具(11)之间通过弹簧(13)连接；高灵敏度相机(7)的侧面设置有点光源孔(8)，所述点光源孔(8)内插入有点光源，点光源发出的光线能够通过高灵敏度相机(7)内部的镜面反射，再从镜头垂直照射到样品表面，再反射被高灵敏度相机(7)捕捉，钢化玻璃(10)置于玻璃夹具(11)的内部梯形孔中；高灵敏度相机(7)设置于三维移动平台上；垂直加载液压伺服电机(18)固定于底部连接板(21)上，三向力传感器(17)固定于垂直加载液压伺服电机(18)的输出轴上，样品夹具(16)与三向力传感器(17)的顶部相连，样品夹持于样品夹具(16)上。2.根据权利要求1所述的基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备，其特征在于，中间连接板(15)与顶部连接板(9)之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜春云，王刚锋，王孟瑞，梁轩铭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：新型
国别省市：