CN103499523A - 接触界面力学及图像信号采集试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种接触界面力学及图像信号采集试验台，该试验台设有一个底座，底座的上部设有数据传输模块、力学信号模块及开关电源模块，底座的中部固定设有照明光源，照明光源的上方设有一块光介质，上部光介质的一端连接有光学聚焦元件，光学聚焦元件的前方固定设有图像信号模块，底座的上部依次设置有中间层外壳及上层盖板，底座，所述上层盖板的中间设有一个凸起的力学传感器模块，力学传感器模块的顶部设置有可更换的透明的载物片。该试验台不仅携带方便，操作简单，而且可以获得接触界面真实三维力信号、扭转强度信号及接触界面图像信号，突破了以往试验台先实验后观测的局限性，适合在科研领域进行规模化生产和市场推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验台，尤其是可以同步采集图像信号的力学信号的接触界面力学及图像信号采集试验台。
背景技术
目前，在摩擦学的研究领域，科研工作者希望在采集单一力学信号的同时获取影响摩擦力的其它因素，图像信号成为最佳选择。对接触界面的动态图像观测可以捕捉更多摩擦过程中的瞬变信息。尽管国际上最为先进的美国UMT摩擦磨损试验机可在采集完摩擦力学信号之后对接触界面摄像观测，但其不能在接触过程中同步采集接触面的图像信息。国内尚未有关于可实现同步采集图像信号的力学信号采集试验台的报道。
发明内容
为了解决现有的摩擦试验机不能同时采集力学信号和图像信号的问题，本发明提供一种接触界面力学及图像信号采集试验台，该试验台不仅携带方便，操作简单，而且可以获得接触界面真实三维力信号、扭转强度信号及接触界面图像信号，突破了以往试验台先实验后观测的局限性，可在进行力学实验和采集力学信号的同时观测接触界面，并可测量接触面积大小，保存接触界面的图像信息，这一创新将对深入分析接触过程中力学信号的产生机制及力学变化规律起到有益作用，适合在科研领域进行规模化生产和市场推广。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该接触界面力学及图像信号采集试验台包括底座、中间层外壳、上层盖板、力学传感器模块、载物片、紧固装置、吊耳、图像信号模块、光学聚焦元件、上部光介质、半透半反膜、螺钉、下部光介质、照明光源、数据传输模块、力学信号模块、开关电源模块、电源接口、开关按钮、信号传输接口Ⅰ、信号传输接口Ⅱ、薄壁圆桶、切向力检测单元及扭转检测单元；该接触界面力学及图像信号采集试验台设有一个底座，底座的上部向上设有三块水平平行排列的数据传输模块、力学信号模块及开关电源模块，底座的中部固定设有照明光源，照明光源与底座通过螺钉固定连接，照明光源采用LDE-5050三芯高亮芯片，表面阵列排布，形成环形无影光源，照明光源的上方设有一块L形状的光介质，光介质的中部由有一块倾斜放置的半透半反膜分割成上部光介质和下部光介质，上部光介质的一端连接有光学聚焦元件，光学聚焦元件的前方固定设有图像信号模块，底座的上部依次设置有中间层外壳及上层盖板，底座、中间层外壳及上层盖板由螺栓依次贯穿固定，从而保证了每一层之间都是密闭连接，防止了外部光线对实验中观测的图像信号产生干扰；所述底座的侧面设有电源接口、开关按钮、信号传输接口Ⅰ及信号传输接口Ⅱ，所述上层盖板的中间设有一个凸起的力学传感器模块，力学传感器模块及上层盖板通过紧固装置连接，力学传感器模块的顶部设置有可更换的透明的载物片，力学传感器模块的边沿设有吊耳，方便力学传感器模块的安装与更换，所述力学传感器模块有两种功能型号，一种用以测量三维力信号，一种用以测量扭转力矩信号，两者机械尺寸相同。
力学传感器模块内设有薄壁圆桶，用作压力检测单元，薄壁圆桶的表面分布设有BF350-3AA康铜箔电阻应变片，用以测量传感器竖直方向形变量，进而表征竖直方向压力。
三维力传感器模块的切向力检测单元选用FSS1500NST触力传感器，工作力量程为0-1500g，触力传感器在力学传感器模块的四个侧面布置，用以检测水平面内的力学信号。
扭矩传感器模块的扭转检测单元选用XHT86应变式微型静态扭矩传感器，量程0-10 N.M，电路可根据扭转检测单元的应变方向判别扭转力矩的方向。
三维力信号采集电路包括四个切向力检测单元FSS1500NST、四个压力检测单元BF350-3AA、两个信号放大芯片SN74AHCT125D-01、SN74AHCT125D-02以及一个数模转换芯片MCP3208-01；四个切向力检测单元的引脚2依次连接到信号放大芯片SN74AHCT125D-01的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个切向力检测单元的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-01的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-01的引脚7接地，引脚14接+5V电源，芯片SN74AHCT125D-01的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-01的引脚1、引脚2、引脚3及引脚4；四个压力检测单元的引脚2依次连接到信号放大芯片SN74AHCT125D-02的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-02的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-02的引脚7接地，引脚14接+5V电源，芯片SN74AHCT125D-02的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-01的引脚5、引脚6、引脚7及引脚8，数模转换芯片MCP3208-01的引脚15接+3.3V电源，数模转换芯片MCP3208-01的引脚13、引脚11、引脚12及引脚10分别依次与数据采集过渡芯片的引脚9、引脚7、引脚8及引脚6相连接，数模转换芯片MCP3208-01的引脚14接地；四个切向力检测单元FSS1500NST的引脚3及四个压力检测单元BF350-3AA的引脚3均接地，四个切向力检测单元FSS1500NST的引脚1通过3 kΩ的电阻与+5V电源相连，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚1直接与+5V电源相连。
扭转力矩信号采集电路包括一个扭转检测单元XHT86、四个压力检测单元BF350-3AA、两个信号放大芯片SN74AHCT125D-03、SN74AHCT125D-04以及一个数模转换芯片MCP3208-02；扭转检测单元XHT86的引脚2与芯片SN74AHCT125D-03的引脚1相连，扭转检测单元XHT86的引脚4与芯片SN74AHCT125D-03的引脚2相连，芯片SN74AHCT125D-03的引脚7接地，引脚14与+5V电源相连，引脚3与数模转换芯片MCP3208-02的引脚1相连；四个压力检测单元BF350-3AA的引脚2依次连接到芯片SN74AHCT125D-04的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-04的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-04的引脚7接地，引脚14接5V电源，芯片SN74AHCT125D-04的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-02的引脚5、引脚6、引脚7及引脚8，数模转换芯片MCP3208-02的引脚15接+3.3V电源，数模转换芯片MCP3208-02的引脚13、引脚11、引脚12及引脚10分别依次与数据采集过渡芯片的引脚9、引脚7、引脚8及引脚6相连接，数模转换芯片MCP3208-02的引脚14接地；扭转检测单元XHT86的引脚3及四个压力检测单元BF350-3AA的引脚3接地，扭转检测单元XHT86的引脚1通过3 kΩ的电阻与+5V电源相连，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚1直接与+5V电源相连；所述压力检测单元BF350-3AA编号有A-D，对应前后左右四个敏感元件，由红RED-n、黑BLACK-n两线提供+5V工作电压，绿GREEN-n、白WHITE-n两线输出应变电压；扭转检测单元XHT86编号为T，由红RED-t、黑BLACK-t两线提供+5V工作电压，绿GREEN-t、白WHITE-t两线输出应变电压。
系统电路包括开关电源芯片AC-DC-JAC10、晶振模块XTAL01、晶振模块XTAL02、现场可编程逻辑器件EP10K250A-01、现场可编程逻辑器件EP10K250A-02、力学信号输出芯片CY7C68013-01、图像信号输出芯片CY7C68013-02、摄像头模块CF5642C-V2；开关电源芯片AC-DC-JAC10的引脚1通过开关与220V交流电源相连，引脚2直接与220V交流电源相连，引脚3同时与220V交流电源及地连接，引脚4输出12V直流电源，同时引脚4通过LED灯接地，引脚5输出+5V直流电压，引脚6输出+3.3V直流电压；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48、引脚49、引脚50、引脚51、引脚52、引脚53、引脚54及引脚55分别依次对应连接着力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48及引脚49；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚99、引脚98、引脚87、引脚86、引脚37、引脚33、引脚32及引脚25分别依次对应连接着力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚3、引脚4、引脚55、引脚56、引脚67、引脚71、引脚72及引脚77；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚17通过震荡电容接地，引脚6直接接地，引脚5接+3.3V电源，现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚4、引脚3、引脚2及引脚1依次分别对应连接着数据采集过渡芯片的引脚6、引脚7、引脚8及引脚9；力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚1接+3.3V电源，引脚99接地，引脚17和引脚18外接USB口，引脚11及引脚12分别连接在24MHZ晶振XTAL01的两端；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48、引脚49、引脚50、引脚51、引脚52、引脚53、引脚54及引脚55分别依次连接着图像学信号输出芯片CY7C68013-02的引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48及引脚49；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚99、引脚98、引脚87、引脚86、引脚37、引脚33、引脚32及引脚25分别依次对应连接着图像信号输出芯片CY7C68013-02的引脚3、引脚4、引脚55、引脚56、引脚67、引脚71、引脚72及引脚77；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚17通过震荡电容接地，引脚6直接接地，引脚5接+3.3V电源；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚68、引脚67、引脚66、引脚65、引脚64及引脚63分别依次对应连接着摄像头模块CF5642C-V2的引脚8、引脚7、引脚6、引脚5、引脚4及引脚3，现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚21、引脚20、引脚19、引脚18、引脚4、引脚3、引脚2及引脚1分别依次对应连接着摄像头模块CF5642C-V2的引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14、引脚15及引脚16，摄像头模块CF5642C-V2的引脚1连接+3.3V电源，引脚2接地；图像信号输出芯片CY7C68013-02的引脚1接+3.3V电源，引脚99接地，引脚17和引脚18外接USB口，引脚11及引脚12分别连接在24MHZ晶振XTAL02的两端。
该接触界面力学及图像信号采集试验台采集力学及图像信号的步骤为：
（1）动态的数据信号经过16条三维力信号或10条扭转力矩信号线被采集进入前级放大电路，放大电路采用SN74AHCT125D芯片，信号经过放大后进入MCP3208芯片；
（2）模拟信号进入MCP3208芯片后，进行数模转换过程，最终被转换为数字信号；
（3）来自力学传感器模块以及图像信号模块的数字信号分别进入各自对应的EP10K250A芯片，该芯片中储存有处理相应信号的程序，对信号进行计算后输出；
（4）从两组EP10K250A芯片输出的信号各自进入对应的CY7C68013芯片，CY7C68013芯片对数据进行缓存，然后经由信号传输接口Ⅰ及信号传输接口Ⅱ传送到上位的PC机，通过运行LabView虚拟仪器软件，按照预定的算法，解析出信号，将数据存盘；
（5）对存盘数据分析，计算得到受力或受扭矩的大小及方向，同时结合视频解码软件动态显示图像信号，可选择拍照或录像，并利用图像处理软件同步计算接触面积的大小。
本发明的有益效果是，该试验台不仅携带方便，操作简单，而且可以获得接触界面真实三维力信号、扭转强度信号及接触界面图像信号，突破了以往试验台先实验后观测的局限性，可在进行力学实验和采集力学信号的同时观测接触界面，并可测量接触面积大小，保存接触界面的图像信息，这一创新将对深入分析接触过程中力学信号的产生机制及力学变化规律起到有益作用，适合在科研领域进行规模化生产和市场推广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的主视剖面图。
图2是本发明的左视图。
图3是本发明的三维力传感器模块结构图。
图4是本发明的扭矩传感器模块结构图。
图5是本发明的系统电路图。
图6是本发明的三维力信号采集电路图。
图7是本发明的扭转力矩信号采集电路图。
图中，1.底座，2.中间层外壳，3.上层盖板，4.力学传感器模块，5.载物片，6.紧固装置，7.吊耳，8.图像信号模块，9.光学聚焦元件，10.上部光介质，11.半透半反膜，12.螺钉，13.下部光介质，14.照明光源，15.数据传输模块，16.力学信号模块，17.开关电源模块，18.电源接口，19.开关按钮，20.信号传输接口Ⅰ，21.信号传输接口Ⅱ，22.薄壁圆桶，23.切向力检测单元，24.扭转检测单元。
具体实施方式
在图中，该接触界面力学及图像信号采集试验台包括底座1、中间层外壳2、上层盖板3、力学传感器模块4、载物片5、紧固装置6、吊耳7、图像信号模块8、光学聚焦元件9、上部光介质10、半透半反膜11、螺钉12、下部光介质13、照明光源14、数据传输模块15、力学信号模块16、开关电源模块17、电源接口18、开关按钮19、信号传输接口Ⅰ20、信号传输接口Ⅱ21、薄壁圆桶22、切向力检测单元23及扭转检测单元24；该接触界面力学及图像信号采集试验台设有一个底座1，底座1的上部向上设有三块水平平行排列的数据传输模块15、力学信号模块16及开关电源模块17，底座1的中部固定设有照明光源14，照明光源14与底座1通过螺钉12固定连接，照明光源14采用LDE-5050三芯高亮芯片，表面阵列排布，形成环形无影光源，照明光源14的上方设有一块L形状的光介质，光介质的中部由有一块倾斜放置的半透半反膜11分割成上部光介质10和下部光介质13，上部光介质10的一端连接有光学聚焦元件9，光学聚焦元件9的前方固定设有图像信号模块8，底座1的上部依次设置有中间层外壳2及上层盖板3，底座1、中间层外壳2及上层盖板3由螺栓依次贯穿固定，从而保证了每一层之间都是密闭连接，防止了外部光线对实验中观测的图像信号产生干扰；所述底座1的侧面设有电源接口18、开关按钮19、信号传输接口Ⅰ20及信号传输接口Ⅱ21，所述上层盖板3的中间设有一个凸起的力学传感器模块4，力学传感器模块4及上层盖板3通过紧固装置6连接，力学传感器模块4的顶部设置有可更换的透明的载物片5，力学传感器模块4的边沿设有吊耳7，方便力学传感器模块4的安装与更换，所述力学传感器模块4有两种功能型号，一种用以测量三维力信号，一种用以测量扭转力矩信号，两者机械尺寸相同。
力学传感器模块4内设有薄壁圆桶22，用作压力检测单元，薄壁圆桶22的表面分布设有BF350-3AA康铜箔电阻应变片，用以测量传感器竖直方向形变量，进而表征竖直方向压力。
三维力传感器模块的切向力检测单元23选用FSS1500NST触力传感器，工作力量程为0-1500g，触力传感器在力学传感器模块4的四个侧面布置，用以检测水平面内的力学信号。
扭矩传感器模块的扭转检测单元24选用XHT86应变式微型静态扭矩传感器，量程0-10 N.M，电路可根据扭转检测单元24的应变方向判别扭转力矩的方向。
三维力信号采集电路包括四个切向力检测单元23 FSS1500NST、四个压力检测单元BF350-3AA、两个信号放大芯片SN74AHCT125D-01、SN74AHCT125D-02以及一个数模转换芯片MCP3208-01；四个切向力检测单元23的引脚2依次连接到信号放大芯片SN74AHCT125D-01的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个切向力检测单元23的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-01的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-01的引脚7接地，引脚14接+5V电源，芯片SN74AHCT125D-01的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-01的引脚1、引脚2、引脚3及引脚4；四个压力检测单元的引脚2依次连接到信号放大芯片SN74AHCT125D-02的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-02的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-02的引脚7接地，引脚14接+5V电源，芯片SN74AHCT125D-02的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-01的引脚5、引脚6、引脚7及引脚8，数模转换芯片MCP3208-01的引脚15接+3.3V电源，数模转换芯片MCP3208-01的引脚13、引脚11、引脚12及引脚10分别依次与数据采集过渡芯片的引脚9、引脚7、引脚8及引脚6相连接，数模转换芯片MCP3208-01的引脚14接地；四个切向力检测单元23 FSS1500NST的引脚3及四个压力检测单元BF350-3AA的引脚3均接地，四个切向力检测单元23 FSS1500NST的引脚1通过3 kΩ的电阻与+5V电源相连，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚1直接与+5V电源相连。
扭转力矩信号采集电路包括一个扭转检测单元24XHT86、四个压力检测单元BF350-3AA、两个信号放大芯片SN74AHCT125D-03、SN74AHCT125D-04以及一个数模转换芯片MCP3208-02；扭转检测单元24XHT86的引脚2与芯片SN74AHCT125D-03的引脚1相连，扭转检测单元24XHT86的引脚4与芯片SN74AHCT125D-03的引脚2相连，芯片SN74AHCT125D-03的引脚7接地，引脚14与+5V电源相连，引脚3与数模转换芯片MCP3208-02的引脚1相连；四个压力检测单元BF350-3AA的引脚2依次连接到芯片SN74AHCT125D-04的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-04的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-04的引脚7接地，引脚14接5V电源，芯片SN74AHCT125D-04的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-02的引脚5、引脚6、引脚7及引脚8，数模转换芯片MCP3208-02的引脚15接+3.3V电源，数模转换芯片MCP3208-02的引脚13、引脚11、引脚12及引脚10分别依次与数据采集过渡芯片的引脚9、引脚7、引脚8及引脚6相连接，数模转换芯片MCP3208-02的引脚14接地；扭转检测单元24XHT86的引脚3及四个压力检测单元BF350-3AA的引脚3接地，扭转检测单元24XHT86的引脚1通过3 kΩ的电阻与+5V电源相连，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚1直接与+5V电源相连；所述压力检测单元BF350-3AA编号有A-D，对应前后左右四个敏感元件，由红RED-n、黑BLACK-n两线提供+5V工作电压，绿GREEN-n、白WHITE-n两线输出应变电压；扭转检测单元24 XHT86编号为T，由红RED-t、黑BLACK-t两线提供+5V工作电压，绿GREEN-t、白WHITE-t两线输出应变电压。
系统电路包括开关电源芯片AC-DC-JAC10、晶振模块XTAL01、晶振模块XTAL02、现场可编程逻辑器件EP10K250A-01、现场可编程逻辑器件EP10K250A-02、力学信号输出芯片CY7C68013-01、图像信号输出芯片CY7C68013-02、摄像头模块CF5642C-V2；开关电源芯片AC-DC-JAC10的引脚1通过开关与220V交流电源相连，引脚2直接与220V交流电源相连，引脚3同时与220V交流电源及地连接，引脚4输出12V直流电源，同时引脚4通过LED灯接地，引脚5输出+5V直流电压，引脚6输出+3.3V直流电压；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48、引脚49、引脚50、引脚51、引脚52、引脚53、引脚54及引脚55分别依次对应连接着力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48及引脚49；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚99、引脚98、引脚87、引脚86、引脚37、引脚33、引脚32及引脚25分别依次对应连接着力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚3、引脚4、引脚55、引脚56、引脚67、引脚71、引脚72及引脚77；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚17通过震荡电容接地，引脚6直接接地，引脚5接+3.3V电源，现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚4、引脚3、引脚2及引脚1依次分别对应连接着数据采集过渡芯片的引脚6、引脚7、引脚8及引脚9；力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚1接+3.3V电源，引脚99接地，引脚17和引脚18外接USB口，引脚11及引脚12分别连接在24MHZ晶振XTAL01的两端；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48、引脚49、引脚50、引脚51、引脚52、引脚53、引脚54及引脚55分别依次连接着图像学信号输出芯片CY7C68013-02的引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48及引脚49；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚99、引脚98、引脚87、引脚86、引脚37、引脚33、引脚32及引脚25分别依次对应连接着图像信号输出芯片CY7C68013-02的引脚3、引脚4、引脚55、引脚56、引脚67、引脚71、引脚72及引脚77；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚17通过震荡电容接地，引脚6直接接地，引脚5接+3.3V电源；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚68、引脚67、引脚66、引脚65、引脚64及引脚63分别依次对应连接着摄像头模块CF5642C-V2的引脚8、引脚7、引脚6、引脚5、引脚4及引脚3，现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚21、引脚20、引脚19、引脚18、引脚4、引脚3、引脚2及引脚1分别依次对应连接着摄像头模块CF5642C-V2的引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14、引脚15及引脚16，摄像头模块CF5642C-V2的引脚1连接+3.3V电源，引脚2接地；图像信号输出芯片CY7C68013-02的引脚1接+3.3V电源，引脚99接地，引脚17和引脚18外接USB口，引脚11及引脚12分别连接在24MHZ晶振XTAL02的两端。
该接触界面力学及图像信号采集试验台采集力学及图像信号的步骤为：
（1）动态的数据信号经过16条三维力信号或10条扭转力矩信号线被采集进入前级放大电路，放大电路采用SN74AHCT125D芯片，信号经过放大后进入MCP3208芯片；
（2）模拟信号进入MCP3208芯片后，进行数模转换过程，最终被转换为数字信号；
（3）来自力学传感器模块4以及图像信号模块8的数字信号分别进入各自对应的EP10K250A芯片，该芯片中储存有处理相应信号的程序，对信号进行计算后输出；
（4）从两组EP10K250A芯片输出的信号各自进入对应的CY7C68013芯片，CY7C68013芯片对数据进行缓存，然后经由信号传输接口Ⅰ20及信号传输接口Ⅱ21传送到上位的PC机，通过运行LabView虚拟仪器软件，按照预定的算法，解析出信号，将数据存盘；
（5）对存盘数据分析，计算得到受力或受扭矩的大小及方向，同时结合视频解码软件动态显示图像信号，可选择拍照或录像，并利用图像处理软件同步计算接触面积的大小。
Claims (8)
1.接触界面力学及图像信号采集试验台，该接触界面力学及图像信号采集试验台包括底座（1）、中间层外壳（2）、上层盖板（3）、力学传感器模块（4）、载物片（5）、紧固装置（6）、吊耳（7）、图像信号模块（8）、光学聚焦元件（9）、上部光介质（10）、半透半反膜（11）、螺钉（12）、下部光介质（13）、照明光源（14）、数据传输模块（15）、力学信号模块（16）、开关电源模块（17）、电源接口（18）、开关按钮（19）、信号传输接口Ⅰ（20）、信号传输接口Ⅱ（21）、薄壁圆桶（22）、切向力检测单元（23）及扭转检测单元（24），其特征在于，该接触界面力学及图像信号采集试验台设有一个底座（1），底座（1）的上部向上设有三块水平平行排列的数据传输模块（15）、力学信号模块（16）及开关电源模块（17），底座（1）的中部固定设有照明光源（14），照明光源（14）与底座（1）通过螺钉（12）固定连接，照明光源（14）采用LDE-5050三芯高亮芯片，表面阵列排布，形成环形无影光源，照明光源（14）的上方设有一块L形状的光介质，光介质的中部由有一块倾斜放置的半透半反膜（11）分割成上部光介质10和下部光介质（13），上部光介质（10）的一端连接有光学聚焦元件（9），光学聚焦元件（9）的前方固定设有图像信号模块（8），底座（1）的上部依次设置有中间层外壳（2）及上层盖板（3），底座（1）、中间层外壳（2）及上层盖板（3）由螺栓依次贯穿固定；所述底座（1）的侧面设有电源接口（18）、开关按钮（19）、信号传输接口Ⅰ（20）及信号传输接口Ⅱ（21），所述上层盖板（3）的中间设有一个凸起的力学传感器模块（4），力学传感器模块（4）及上层盖板通过紧固装置（6）连接，力学传感器模块（4）的顶部设置有可更换的透明的载物片（5），力学传感器模块（4）的边沿设有吊耳（7），所述力学传感器模块（4）有两种功能型号，一种用以测量三维力信号，一种用以测量扭转力矩信号，两者机械尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的接触界面力学及图像信号采集试验台，其特征在于，所述力学传感器模块（4）内设有薄壁圆桶（22），用作压力检测单元，薄壁圆桶（22）的表面分布设有BF350-3AA康铜箔电阻应变片。
3.根据权利要求1所述的接触界面力学及图像信号采集试验台，其特征在于，三维力传感器模块的切向力检测单元（23）选用FSS1500NST触力传感器，触力传感器在力学传感器模块（4）的四个侧面布置。
4.根据权利要求1所述的接触界面力学及图像信号采集试验台，其特征在于，扭矩传感器模块的扭转检测单元（24）选用XHT86应变式微型静态扭矩传感器，电路可根据扭转检测单元（24）的应变方向判别扭转力矩的方向。
5.接触界面力学及图像信号采集试验台，其三维力信号采集电路包括四个切向力检测单元（23）FSS1500NST、四个压力检测单元BF350-3AA、两个信号放大芯片SN74AHCT125D-01、SN74AHCT125D-02以及一个数模转换芯片MCP3208-01，其特征在于，四个切向力检测单元（23）的引脚2依次连接到信号放大芯片SN74AHCT125D-01的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个切向力检测单元（23）的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-01的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-01的引脚7接地，引脚14接+5V电源，芯片SN74AHCT125D-01的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-01的引脚1、引脚2、引脚3及引脚4；四个压力检测单元的引脚2依次连接到信号放大芯片SN74AHCT125D-02的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-02的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-02的引脚7接地，引脚14接+5V电源，芯片SN74AHCT125D-02的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-01的引脚5、引脚6、引脚7及引脚8，数模转换芯片MCP3208-01的引脚15接+3.3V电源，数模转换芯片MCP3208-01的引脚13、引脚11、引脚12及引脚10分别依次与数据采集过渡芯片的引脚9、引脚7、引脚8及引脚6相连接，数模转换芯片MCP3208-01的引脚14接地；四个切向力检测单元（23）FSS1500NST的引脚3及四个压力检测单元BF350-3AA的引脚3均接地，四个切向力检测单元（23）FSS1500NST的引脚1通过3 kΩ的电阻与+5V电源相连，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚1直接与+5V电源相连。
6.接触界面力学及图像信号采集试验台，其扭转力矩信号采集电路包括一个扭转检测单元（24）XHT86、四个压力检测单元BF350-3AA、两个信号放大芯片SN74AHCT125D-03、SN74AHCT125D-04以及一个数模转换芯片MCP3208-02，其特征在于，扭转检测单元（24）XHT86的引脚2与芯片SN74AHCT125D-03的引脚1相连，扭转检测单元（24）XHT86的引脚4与芯片SN74AHCT125D-03的引脚2相连，芯片SN74AHCT125D-03的引脚7接地，引脚14与+5V电源相连，引脚3与数模转换芯片MCP3208-02的引脚1相连；四个压力检测单元BF350-3AA的引脚2依次连接到芯片SN74AHCT125D-04的引脚1、引脚4、引脚10及引脚13，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚4依次连接到芯片SN74AHCT125D-04的引脚2、引脚5、引脚9及引脚12，芯片SN74AHCT125D-04的引脚7接地，引脚14接5V电源，芯片SN74AHCT125D-04的引脚3、引脚6、引脚8及引脚11依次连接着数模转换芯片MCP3208-02的引脚5、引脚6、引脚7及引脚8，数模转换芯片MCP3208-02的引脚15接+3.3V电源，数模转换芯片MCP3208-02的引脚13、引脚11、引脚12及引脚10分别依次与数据采集过渡芯片的引脚9、引脚7、引脚8及引脚6相连接，数模转换芯片MCP3208-02的引脚14接地；扭转检测单元（24）XHT86的引脚3及四个压力检测单元BF350-3AA的引脚3接地，扭转检测单元（24）XHT86的引脚1通过3 kΩ的电阻与+5V电源相连，四个压力检测单元BF350-3AA的引脚1直接与+5V电源相连；所述压力检测单元BF350-3AA编号有A-D，对应前后左右四个敏感元件，由红RED-n、黑BLACK-n两线提供+5V工作电压，绿GREEN-n、白WHITE-n两线输出应变电压；扭转检测单元（24） XHT86编号为T，由红RED-t、黑BLACK-t两线提供+5V工作电压，绿GREEN-t、白WHITE-t两线输出应变电压。
7.接触界面力学及图像信号采集试验台，其系统电路包括开关电源芯片AC-DC-JAC10、晶振模块XTAL01、晶振模块XTAL02、现场可编程逻辑器件EP10K250A-01、现场可编程逻辑器件EP10K250A-02、力学信号输出芯片CY7C68013-01、图像信号输出芯片CY7C68013-02、摄像头模块CF5642C-V2，其特征在于，开关电源芯片AC-DC-JAC10的引脚1通过开关与220V交流电源相连，引脚2直接与220V交流电源相连，引脚3同时与220V交流电源及地连接，引脚4输出12V直流电源，同时引脚4通过LED灯接地，引脚5输出+5V直流电压，引脚6输出+3.3V直流电压；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48、引脚49、引脚50、引脚51、引脚52、引脚53、引脚54及引脚55分别依次对应连接着力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48及引脚49；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚99、引脚98、引脚87、引脚86、引脚37、引脚33、引脚32及引脚25分别依次对应连接着力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚3、引脚4、引脚55、引脚56、引脚67、引脚71、引脚72及引脚77；现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚17通过震荡电容接地，引脚6直接接地，引脚5接+3.3V电源，现场可编程逻辑器件EP10K250A-01的引脚4、引脚3、引脚2及引脚1依次分别对应连接着数据采集过渡芯片的引脚6、引脚7、引脚8及引脚9；力学信号输出芯片CY7C68013-01的引脚1接+3.3V电源，引脚99接地，引脚17和引脚18外接USB口，引脚11及引脚12分别连接在24MHZ晶振XTAL01的两端；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48、引脚49、引脚50、引脚51、引脚52、引脚53、引脚54及引脚55分别依次连接着图像学信号输出芯片CY7C68013-02的引脚34、引脚35、引脚36、引脚37、引脚38、引脚39、引脚40、引脚41、引脚42、引脚43、引脚44、引脚45、引脚46、引脚47、引脚48及引脚49；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚99、引脚98、引脚87、引脚86、引脚37、引脚33、引脚32及引脚25分别依次对应连接着图像信号输出芯片CY7C68013-02的引脚3、引脚4、引脚55、引脚56、引脚67、引脚71、引脚72及引脚77；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚17通过震荡电容接地，引脚6直接接地，引脚5接+3.3V电源；现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚68、引脚67、引脚66、引脚65、引脚64及引脚63分别依次对应连接着摄像头模块CF5642C-V2的引脚8、引脚7、引脚6、引脚5、引脚4及引脚3，现场可编程逻辑器件EP10K250A-02的引脚21、引脚20、引脚19、引脚18、引脚4、引脚3、引脚2及引脚1分别依次对应连接着摄像头模块CF5642C-V2的引脚9、引脚10、引脚11、引脚12、引脚13、引脚14、引脚15及引脚16，摄像头模块CF5642C-V2的引脚1连接+3.3V电源，引脚2接地；图像信号输出芯片CY7C68013-02的引脚1接+3.3V电源，引脚99接地，引脚17和引脚18外接USB口，引脚11及引脚12分别连接在24MHZ晶振XTAL02的两端。
8.接触界面力学及图像信号采集试验台，其特征在于，该试验台采集力学及图像信号的步骤为，动态的数据信号经过16条三维力信号或10条扭转力矩信号线被采集进入前级放大电路，放大电路采用SN74AHCT125D芯片，信号经过放大后进入MCP3208芯片；模拟信号进入MCP3208芯片后，进行数模转换过程，最终被转换为数字信号；来自力学传感器模块（4）以及图像信号模块（8）的数字信号分别进入各自对应的EP10K250A芯片，该芯片中储存有处理相应信号的程序，对信号进行计算后输出；从两组EP10K250A芯片输出的信号各自进入对应的CY7C68013芯片，CY7C68013芯片对数据进行缓存，然后经由信号传输接口Ⅰ（20）及信号传输接口Ⅱ（21）传送到上位的PC机，通过运行LabView虚拟仪器软件，按照预定的算法，解析出信号，将数据存盘；对存盘数据分析，计算得到受力或受扭矩的大小及方向，同时结合视频解码软件动态显示图像信号，可选择拍照或录像，并利用图像处理软件同步计算接触面积的大小。
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2013
- 2013-09-03 CN CN201310393120.8A patent/CN103499523B/zh not_active Expired - Fee Related
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