基于光的静摩擦和切向加载的动态双轴运动

基于光的静摩擦和切向加载的动态双轴运动

2.1结果的采集和数学模型的应用（1）在工作中，通过法向加载n，测试对象表面和镜子表面之间紧密接触。(2)在一定的法向压力下,如果试样受到一个切向压力F,试样和棱镜产生相对运动趋势,它们之间的摩擦力为f(开始为静摩擦力),如果f和F相等,则试样和棱镜保持相对静止。让压力F逐渐增大,此时f也逐渐增大,当压力F大于试件和棱镜间的最大静摩擦力时,试件移动,静摩擦变成动摩擦。(3)在这个过程中,试样和棱镜接触面之间的实际接触情况可以通过显微镜观察,试样的表面形貌特征被显微镜放大,然后被CCD获取,通过采集卡采样并记录到计算机中。连续采集,就可以把一过程完整地记录下来。同时,试样受到的切向力F和法向载荷N也可通过力传感器采集记录,这样可完成图像和力的匹配对应。(4)最后用软件进一步分析整个摩擦过程的摩擦力变化和接触面的真实接触情况。(5)整个摩擦过程可以是干摩擦,也可以是带润滑液的摩擦。另外,在带润滑液的摩擦过程中,如果在润滑液中添加荧光剂,可大大地提高观测能力,采集出来的接触图像分辨能力更好。2.2试验构件设计(1)切向加载速度可调机构。测量过程需要切向力渐变可调,切向加载装置如图3所示。电机旋转,由联轴节带动丝杠螺母机构,压缩弹簧储能,同时逐渐增加对工作台上试件的切向力F(和摩擦力f相平衡),直到切向力大于最大静摩擦力,试件发生移动。这样,该机构达到逐渐加载的目的,选用不同弹性的弹簧和不同的电机转速组合,可以得到不同的加载速度。(2)控制采集部分。实验中,试件和棱镜的全反射底面接触,承受法向载荷N,同时试件受到切向力F推动。法向载荷和切向载荷分别由两个力传感器测量,传感器输出电压经过差动放大后,送入计算机AD卡采样,并由数码显示器显示。·AD卡选用大恒公司的AC1058,该卡同时具有DI/O输出功能。·步进电机由外接电路的8253产生频率可调的脉冲驱动并控制。·图像卡选用和讯公司的flyvideo多媒体卡,它可以连续摄像,图像数据传输是流的方式。这对于研究摩擦状态由静摩擦向动摩擦状态转换的捕捉是很有用的。另外,载物台上的行程开关可在试件发生运动,静摩擦状态结束时停止电机转动。(3)棱镜。实验台的棱镜选用蓝宝石的道威棱镜,其折射率n1=1.77,底面经过超精加工,Ra<5nm,莫氏硬度9.2,极耐磨,是理想的测量形貌的材料。若取折射率n2=1.5的润滑油,根据光的波动理论,可算出临界角为25°。(4)光源。实验台的光源选用溴钨灯,这是连续光谱的非相干光,谱线范围在0.15～1.2μm,选择非相干光的原因是避免相干性好的单色光源产生光学干涉散斑。为了方便测量,同时增大光能的传输效率,采用滤波片将溴钨灯光光谱滤成准单色光。此外,为了减小灯丝影像的不均匀影响,采用毛化玻璃均化视场。(5)显微镜和CCD感光元件。显微镜选择体式显微镜,它具有较长的前工作距,即成像时物体离前镜面的距离较长,这是测量系统所要求的。摄像的CCD选用的是MTV-1881CB,它的技术指标是:感光区域8mm×6mm,谱线峰值响应0.75μm,空间分辨率是800线×800线,满足使用要求。2.3图像读取和处理模块的程序软件部分主要由3个模块组成:可调脉冲的产生;载荷采样;图像的摄取和存储处理。(1)可调脉冲产生的框图如图4所示。counter0,counter1,counter2分别是8253三个计数器的值,即分频比,控制字和计数值由计算机控制AC1058DI/O端口输入8253,脉冲频率f=100000000/(counter0×counter1×counter2)。(2)力采样的程序框图如图5所示。将法向采样的平均值作为法向载荷Fn,切向采样的最大值作为最大静摩擦力Fmax,则最大静摩擦因数f=Fmax/Fn。(3)图像摄取和处理模块的程序框图如图6所示。试样和棱镜之间接触面的一系列表面形貌变化图形被CCD记录以后,由图像采集卡采集后,通过数模转换存储到计算机中,然后通过软件对其进行处理。图像采集过程可跟摩擦力测量实现同步,有利以后分析。图像采集以后,可通过软件对其进行处理,并对比对应的摩擦力变化,进行更全面的分析。当然,处理过程可以脱离实验台进行。其中的图像处理过程主要包括滤波去除背景、二值化、统计真实接触面积、接触点边界寻找和分析等。摩擦学是机械学研究的领域之一,是研究摩擦、磨损与润滑学科的总称。摩擦学研究的领域非常广泛,其中一个主要的方向就是对表面形貌的研究。古典摩擦定律认为摩擦因数决定于材料和表面的性质,与载荷、表面的接触面积等因素无关。近代研究表明,摩擦是一个非常复杂的过程,摩擦因数不只取决于摩擦副中配偶材料性质的常数,而是跟表面的组成和形貌、真实接触面积、载荷、滑动速度等因素有关,并受周围介质工作条件的影响。影响静摩擦因数有很多因素,从接触面的真实接触情况来研究静摩擦是一个很好途径。使用显微镜来观察真实接触表面,它具有直观、精度高等特点。针对特殊表面形貌摩擦的最大静摩擦力的测量,在深入研究光的受抑全反射在测量真实接触面积的可能性基础上,设计了光受抑全反射静摩擦综合实验台。该试验台为表面形貌摩擦研究提供了一种手段,便于对摩擦试样从静摩擦到动摩擦转换过程中的最大静摩擦力进行测量。1试样表面的受抑全反射法测表面如图1所示,介质1是棱镜,介质2是空气,介质3是试样,当光从光密介质(介质1)进入光疏介质(介质2),即n1>n2时,并且入射角大于或者等于临界角时发生全反射现象,实际上全反射光经过界面要逐步衰减一部分。当介质2的厚度有限,在光的波长量级,且介质3的折射率大于媒介2的折射率,即n3>n2时,入射光的能量就通过介质2传到介质3中,此时的全反射就变成部分反射。由于介质2各处的厚度不同,所以部分反射后的光强度不同,根据光强可得到试件的表面形貌。所以待测表面的波峰和波谷差小于波长,且上试件的表面粗糙度相对小时,被测表面的三维轮廓就可用光受抑全反射法测量出来了。当所研究的表面与透明材料的试样(棱镜)发生接触时,接触斑点相对于非接触区是暗区。受抑全反射的接触面图像经过显微镜放大,由安装在显微镜目镜处的CCD感光元件读取,并由计算机对图像进行采集处理,这样就完成了接触面图像的采集。2静摩擦力实验站设计静摩擦实验台是一个集机械、电路、软件一体的实验装置图2为实验台的原理