一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法
【專利摘要】一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法，它涉及一種光學裝置及光學測量方法，具體涉及一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法。本發(fā)明為了解決目前還沒有一種能夠直觀的觀察、分析、儲存接觸區(qū)域真實接觸面積的光學觀測裝置及光學測量方法的問題。本發(fā)明所述方法的具體步驟為將接觸樣本安裝在所述夾具組件上；通過USB數據線將工業(yè)相機與計算機連接；緩慢施加壓力，直至接觸樣本輕微接觸；調整二維手動滑臺使接觸區(qū)域位于圖像中心位置；接觸力值保持20秒后保存圖像，同時記錄接觸力值和同業(yè)相機顯微鏡頭的放大倍數；利用圖像處理程序，計算接觸區(qū)域的真實接觸面積。本發(fā)明用于電接觸領域。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學裝置及光學測量方法，具體涉及一種用于觀測分析觸點真實 接觸面積的光學裝置及光學測量方法，屬于電接觸領域。 一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測 量方法

【背景技術】
[0002] 真實接觸面積的測量分析一直是電接觸領域的重要研究方向，但以往采用的手段 是測量不透明的兩個金屬樣本的真實接觸面積，通過使用X光斷層掃描技術或者超聲波探 測技術，但是X光斷層掃描設備昂貴，而超聲波探測技術由于不可消去掃描時間的影響不 能觀測真實接觸面積的動態(tài)變化。目前，還沒有一種能夠直觀的觀察、分析、儲存接觸區(qū)域 真實接觸面積的光學觀測裝置。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明為解決目前還沒有一種能夠直觀的觀察、分析、儲存接觸區(qū)域真實接觸面 積的光學觀測裝置及光學測量方法的問題，進而提出一種用于觀測分析觸點真實接觸面積 的光學裝置及光學測量方法。
[0004] 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是：本發(fā)明所述裝置包括手動加載機構和 圖像采集系統(tǒng)，并排設置在工作平臺上，所述手動加載機構包括樣本壓板、上支撐板、移動 軸、固定軸承套、微型力傳感器、傳感器支架、升降機構、夾具組件、底板、彈簧、兩根導軌和 兩個支柱，樣本壓板安裝在上支撐板上表面的中部，上支撐板、底板由上至下依次設置，上 支撐板的下表面通過兩個支柱與底板的上表面連接，兩根導軌堅直設置在上支撐板與底板 之間，每根導軌的上端與上支撐板的下表面固定連接，所述升降機構安裝在兩根導軌的下 端，微型力傳感器通過傳感器支架安裝在所述升降機構上，且微型力傳感器位于上支撐板 下表面與所述升降機構之間，移動軸的下端插裝在微型傳感器上，所述夾具組件、彈簧、固 定軸承套由上至下依次套裝在移動軸上，且所述夾具組件位于樣本壓板的正下方。
[0005] 本發(fā)明所述光學測量方法的具體步驟如下：
[0006] 步驟一、將接觸樣本安裝在所述夾具組件上，調節(jié)工業(yè)相機顯微鏡頭，給微型力傳 感器通電；
[0007] 步驟二、通過USB數據線將工業(yè)相機與計算機連接，通過計算機觀察圖像，進行調 焦，將焦點調在藍寶石平板端面附近；
[0008] 步驟三、緩慢施加壓力，直至接觸樣本接觸，重新調焦直至能夠清晰的觀察到接觸 區(qū)域；
[0009] 步驟四、調整二維手動滑臺使接觸區(qū)域位于圖像中心位置，調整工業(yè)相機顯微鏡 頭放大倍數，同時不斷調整光源亮度；
[0010] 步驟五、接觸力值保持20秒后保存圖像，同時記錄接觸力值和同業(yè)相機顯微鏡頭 的放大倍數； toon] 步驟六、利用圖像處理程序，綜合使用濾波、小波處理、閾值判定等方法分析拍攝 的圖片，然后計算接觸區(qū)域的真實接觸面積。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過高放大倍數的顯微鏡頭及高分辨率的工業(yè)相機 觀察接觸界面的接觸區(qū)域，并可以通過上位機對接觸區(qū)域進行拍照、分析、存儲。本發(fā)明結 構簡單、精度較高、成本低廉，能夠為接觸界面在加載及加載過程中的變化提供直觀的圖像 和相關的分析結果。本發(fā)明中提出的方法能夠最大限度的保留實際接觸區(qū)域的圖形特征， 減少真實接觸面積在測量中的誤差。本發(fā)明通過高放大倍數的顯微鏡頭及高分辨率的工業(yè) 相機觀察接觸界面的接觸區(qū)域，并可以通過上位機對接觸區(qū)域進行拍照、分析、存儲。本發(fā) 明結構簡單、精度較高、成本低廉，利用圖像處理算法能夠有效消除噪聲及接觸面上孔洞的 影響，具有識別接觸區(qū)域、提取接觸區(qū)域邊緣并計算視在接觸面積及真實接觸面積的功能， 能夠為接觸界面在加載及加載過程中的變化提供直觀的圖像和相關的分析結果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖，圖2是手動加載機構的結構示意圖，圖3是圖像 采集系統(tǒng)的結構示意圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0014] 一：結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種用于觀測 分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法包括手動加載機構和圖像采集系統(tǒng)，并 排設置在工作平臺上，所述手動加載機構包括樣本壓板1、上支撐板2、移動軸5、固定軸承 套6、微型力傳感器7、傳感器支架8、升降機構、夾具組件、底板16、彈簧21、兩根導軌3和兩 個支柱4,樣本壓板1安裝在上支撐板2上表面的中部，上支撐板2、底板16由上至下依次 設置，上支撐板2的下表面通過兩個支柱4與底板16的上表面連接，兩根導軌3堅直設置 在上支撐板2與底板16之間，每根導軌3的上端與上支撐板2的下表面固定連接，所述升 降機構安裝在兩根導軌3的下端，微型力傳感器7通過傳感器支架8安裝在所述升降機構 上，且微型力傳感器7位于上支撐板2下表面與所述升降機構之間，移動軸5的下端插裝在 微型傳感器7上，所述夾具組件、彈簧21、固定軸承套6由上至下依次套裝在移動軸5上，且 所述夾具組件位于樣本壓板1的正下方。
[0015] 本實施方式中接觸樣本17通過樣本壓板1固定在上支撐板2的上表面上，其它接 觸樣本18設置在夾具組件上。

【具體實施方式】 [0016] 二：結合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式所述一種用于觀測 分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法的圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)相機顯微鏡 頭22、光源23、二維手動滑臺24、工業(yè)相機25、鏡頭調節(jié)機構26、調節(jié)導軌27和轉接板28， 調節(jié)導軌27的下端通過轉接板28安裝二維手動滑臺24上，鏡頭調節(jié)機構26套裝在調節(jié) 導軌27上，工業(yè)相機顯微鏡頭22的下端安裝在鏡頭調節(jié)機構26上，工業(yè)相機25與工業(yè)相 機顯微鏡頭22的上端連接，光源23通過連接彎桿與工業(yè)相機顯微鏡頭22連接。
[0017] 本實施方式中工業(yè)相機顯微鏡頭22光學放大倍數連續(xù)可調，且變化范圍是： 8 X - 50 X，相機的像素數為2592X1944,每個像素大小為2. 2 μ mX 2. 2 μ m，最大分辨率時 每個像素代表實際尺寸是44nmX44nm。
[0018] 調節(jié)導軌27長度是450mm，調節(jié)鏡頭調節(jié)機構26本身的調節(jié)旋鈕，調節(jié)機構調節(jié) 范圍是65mm，用于鏡頭焦平面的對焦。
[0019] 工業(yè)相機25通過USB與電腦相連，上位機能夠實現對接觸界面微觀形貌的圖像的 采集、儲存、分析。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。

【具體實施方式】 [0020] 三：結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種用于觀測 分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法的升降機構包括中板9、壓力軸承11、 下支撐板12、絲套13、絲杠14和兩個直線軸承10,下支撐板12、中板9由下至上依次套裝 在兩根導軌3的下端，且中板9可沿兩根導軌3直線移動，每個直線軸承10分別各套裝在 一根導軌3上，且每個直線軸承10均與中板9的下表面連接，壓力軸承11固定安裝在中板 9下表面的中部，絲套13安裝在支撐板12下表面的中部，絲杠14的上端由下至上依次穿過 絲套13、下支撐板12與壓力軸承11接觸。其它組成及連接關系與一相同。

【具體實施方式】 [0021] 四：結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種用于觀測 分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法的升降機構還包括搬桿15,搬桿15安 裝在絲杠14的下端。
[0022] 本實施方式的技術效果是：如此設置，便于轉動絲桿14。其它組成及連接關系與

【具體實施方式】三相同。

【具體實施方式】 [0023] 五：結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種用于觀 測分析觸點真實接觸面積的光學裝置及光學測量方法的夾具組件包括上夾具19和下夾具 20,上夾具19和下夾具20由上至下依次套裝在移動軸5的上端。其它組成及連接關系與 一相同。

【具體實施方式】 [0024] 六：結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種利用具 體實施方式一所述裝置觀測分析觸點真實接觸面積的光學測量方法是通過如下步驟實現 的：
[0025] 步驟一、將接觸樣本通過樣板壓板1安裝在所述夾具組件上，調節(jié)工業(yè)相機顯微 鏡頭22,給微型力傳感器7通電；
[0026] 步驟二、通過USB數據線將工業(yè)相機25與計算機連接，通過計算機觀察圖像，進行 調焦，將焦點調在藍寶石平板端面附近；
[0027] 步驟三、緩慢施加壓力，直至接觸樣本輕微接觸，重新調焦直至能夠清晰的觀察到 接觸區(qū)域；
[0028] 步驟四、調整二維手動滑臺使接觸區(qū)域位于圖像中心位置，調整工業(yè)相機顯微鏡 頭22放大倍數，同時不斷調整光源亮度；
[0029] 步驟五、接觸力值保持20秒后保存圖像，同時記錄接觸力值和同業(yè)相機顯微鏡頭 22的放大倍數；
[0030] 步驟六、利用圖像處理程序，綜合使用濾波、小波處理、閾值判定等方法分析拍攝 的圖片，然后計算接觸區(qū)域的真實接觸面積。
[0031] 工作原理
[0032] 采集圖像時將工業(yè)相機25的USB線連接到電腦上，并給所述光源23供電，所述光 源23能夠使圖像更加清晰，增加圖像的明銳度。打開上位機軟件，以觀測實時圖像，通過調 節(jié)所述鏡頭調節(jié)機構26在調節(jié)導軌27上的高度及旋轉調節(jié)機構本身的調節(jié)旋鈕將鏡頭的 焦平面對焦到平板接觸樣本17上，旋轉搬桿15進行手動加載，調節(jié)二維手動滑臺24,改變 鏡頭在XY平面上的位置，將接觸區(qū)域的中心與相機顯示圖像的中心重合，通過改變鏡頭的 放大倍數得到合適的圖像，通過上位機進行拍照及分析。接觸樣本17中的平板材料采用透 明材料，采用同軸光源提高圖像清晰度和明銳度。
【權利要求】
1. 一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置，其特征在于：所述一種用于觀測 分析觸點真實接觸面積的光學裝置包括手動加載機構和圖像采集系統(tǒng)，并排設置在工作平 臺上，所述手動加載機構包括樣本壓板（1)、上支撐板（2)、移動軸（5)、固定軸承套￠)、微 型力傳感器（7)、傳感器支架（8)、升降機構、夾具組件、底板（16)、彈簧（21)、兩根導軌（3) 和兩個支柱（4)，樣本壓板（1)安裝在上支撐板（2)上表面的中部，上支撐板（2)、底板（16) 由上至下依次設置，上支撐板（2)的下表面通過兩個支柱（4)與底板（16)的上表面連接， 兩根導軌（3)堅直設置在上支撐板（2)與底板（16)之間，每根導軌（3)的上端與上支撐板 (2)的下表面固定連接，所述升降機構安裝在兩根導軌（3)的下端，微型力傳感器（7)通過 傳感器支架（8)安裝在所述升降機構上，且微型力傳感器（7)位于上支撐板（2)下表面與 所述升降機構之間，移動軸（5)的下端插裝在微型傳感器（7)上，所述夾具組件、彈簧（21)、 固定軸承套￠)由上至下依次套裝在移動軸（5)上，且所述夾具組件位于樣本壓板（1)的 正下方。
2. 根據權利要求1所述一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置，其特征在 于：所述圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)相機顯微鏡頭（22)、光源（23)、二維手動滑臺（24)、工業(yè)相 機（25)、鏡頭調節(jié)機構（26)、調節(jié)導軌（27)和轉接板（28)，調節(jié)導軌（27)的下端通過轉 接板（28)安裝二維手動滑臺（24)上，鏡頭調節(jié)機構（26)套裝在調節(jié)導軌（27)上，工業(yè)相 機顯微鏡頭（22)的下端安裝在鏡頭調節(jié)機構（26)上，工業(yè)相機（25)與工業(yè)相機顯微鏡頭 (22)的上端連接，光源（23)通過連接彎桿與工業(yè)相機顯微鏡頭（22)連接。
3. 根據權利要求1所述一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置，其特征在 于：所述升降機構包括中板（9)、壓力軸承（11)、下支撐板（12)、絲套（13)、絲杠（14)和兩 個直線軸承（10)，下支撐板（12)、中板（9)由下至上依次套裝在兩根導軌（3)的下端，且中 板（9)可沿兩根導軌（3)直線移動，每個直線軸承（10)分別各套裝在一根導軌⑶上，且 每個直線軸承（10)均與中板（9)的下表面連接，壓力軸承（11)固定安裝在中板（9)下表 面的中部，絲套（13)安裝在支撐板（12)下表面的中部，絲杠（14)的上端由下至上依次穿 過絲套（13)、下支撐板（12)與壓力軸承（11)接觸。
4. 根據權利要求3所述一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置，其特征在 于：所述升降機構還包括搬桿（15)，搬桿（15)安裝在絲杠（14)的下端。
5. 根據權利要求1所述一種用于觀測分析觸點真實接觸面積的光學裝置，其特征在 于：所述夾具組件包括上夾具（19)和下夾具（20)，上夾具（19)和下夾具（20)由上至下依 次套裝在移動軸（5)的上端。
6. -種利用權利要求1所述裝置進行光學測量的方法，其特征在于：所述一種用于觀 測分析觸點真實接觸面積的光學測量方法是通過如下步驟實現的： 步驟一、將接觸樣本安裝在所述夾具組件上，調節(jié)工業(yè)相機顯微鏡頭（22)，給微型力傳 感器（7)通電； 步驟二、通過USB數據線將工業(yè)相機（25)與計算機連接，通過計算機觀察圖像，進行調 焦，將焦點調在藍寶石平板端面附近； 步驟三、緩慢施加壓力，直至接觸樣本輕微接觸，重新調焦直至能夠清晰的觀察到接觸 區(qū)域； 步驟四、調整二維手動滑臺使接觸區(qū)域位于圖像中心位置，調整工業(yè)相機顯微鏡頭 (22)放大倍數，同時不斷調整光源亮度； 步驟五、接觸力值保持20秒后保存圖像，同時記錄接觸力值和同業(yè)相機顯微鏡頭（22) 的放大倍數； 步驟六、利用圖像處理程序，綜合使用濾波、小波處理、閾值判定等方法分析拍攝的圖 片，然后計算接觸區(qū)域的真實接觸面積。
【文檔編號】G01B11/28GK104061881SQ201410330892
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權日:2014年7月11日
【發(fā)明者】任萬濱, 常成, 韋建民, 劉程煥, 陳宇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學