CN106595534B - 多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维接触力及真实接触面积的同步测试系统及方法，属于测试技术领域。包括可转动的支撑平台，支撑平台上安装若干个接触力及真实接触面积测量单元；所述接触力及真实接触面积测量单元包括力采集装置、图像采集装置、透光承力薄片和光源，所述透光承力薄片固定在力采集装置顶部，图像采集装置固定在透光承力薄片下方，视觉方向与透光承力薄片相对垂直设置；所述光源紧贴设置在透光承力薄片的侧面；所述力采集装置和图像采集装置分别连接控制单元。本发明可用于同步测试固体间动态接触过程中真实接触力和真实接触面积的变化，适用于物体多点接触、黏附接触研究，特别适用于黏附动物运动过程中的黏附和接触研究。

Description

多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种同步测试系统及方法，具体讲是一种多维接触力及真实接触面积的同步测试系统及方法，属于接触力和真实接触面积同步测试技术领域。

背景技术

接触是自然界中最普遍，最频繁的物理现象。同时，接触过程又是一个高度非线性的物理过程，至今还不能被人们透彻、完整认知。几个世纪以前，人们就已经认识到接触力和接触面积之间应当存在一定的关系。1882年，德国科学家Hertz首次对弹性体的接触进行了分析，提出了弹性接触理论，并根据该理论给出了几种典型弹性接触模型(球-球，球-板，柱-柱，柱-板)及其接触面积计算公式。该模型的适用前提是各向同性材料在理想光滑、无摩擦条件下的完全弹性接触，而对粗糙的弹塑性接触则无能为力。1966年，Greenwood和Williamson提出了第一个粗糙表面和光滑表面的弹性接触模型。他们的模型指出：接触微体的数量、实际接触面积与载荷之间存在线性关系。该模型在完全弹性接触的情况下与实际吻合的较好。然而在实际接触中材料的变形往往是弹性变形和塑性变形的混合。1987年，Change，Etsion和Bogy引入了微凸体塑性变形体积守恒原理，并借鉴前人成果，提出了用于分析粗糙表面接触的弹塑性模型(CEB模型)。2000年，Y.Zhao，D.M.Maiette和L.Chang等人给出了一种包含弹性变形、弹塑性变形和塑性变形三种状态下粗糙表面的接触模型(ZMC模型)。另一方面，研究表明物体间的接触不仅仅只会产生排斥力，还会产生吸引力(即黏附力)。1971年，Johnson等人提出了第一个考虑黏附效应的接触模型。1975年，Derjaguin等人建立了另一个著名的黏附接触模型—DMT模型。1992年，Maugis等人建立了近球体黏附接触的解析理论模型(M-D模型)。随后，他们又进一步发展了DMT模型来研究接触黏附问题。从所有这些经典接触模型来看，接触力(排斥力和黏附力)和真实接触面积之间存在一定的关系。

作为对理论模型的验证，通过实验对物体之间的接触力和真实接触面积进行测定是不可或缺的过程。为了测量昆虫(例如蚂蚁)与其附着表面的接触面积，Gorb和Federle等人利用了一种间接测量法—他们首先使昆虫与干净的载玻片接触后分离，然后通过显微镜观察载玻片上残留的痕迹来估算接触面积。华南理工大学黄平等人提出一种通过试样分离前后拉力变化来推算接触面积的方法。但上述方法无法同步获取接触的作用力和真实接触面积。

固体间的黏附接触问题仍然是当前的研究热点和难点之一，同步地测量固体间的接触作用力和真实接触面积十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能够准确、动态、同步测试固体多维接触力和真实接触面积的测试系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，包括可转动的支撑平台；所述支撑平台上安装若干个接触力及真实接触面积测量单元；所述接触力及真实接触面积测量单元包括力采集装置、图像采集装置、透光承力薄片和光源，所述透光承力薄片固定在力采集装置顶部，图像采集装置固定在透光承力薄片下方，视觉方向与透光承力薄片相对垂直设置；所述光源紧贴设置在透光承力薄片的侧面；所述力采集装置和图像采集装置分别连接控制单元。

本发明中，所述接触力及真实接触面积测量单元为多个，多个接触力及真实接触面积测量单元呈两排并列设置，多个接触力及真实接触面积测量单元的顶端平齐。

本发明中，所述支撑平台连接转动驱动单元；所述转动驱动单元包括步进电机、第一同步带轮、第二同步带轮和同步带，所述第一同步带轮与支撑平台固连，第二同步带轮与步进电机固连，第一同步带轮与第二同步带轮间通过同步带传动；所述支撑平台上安装转动角度采集装置，所述转动角度采集装置和步进电机均连接控制单元。

本发明中，所述控制单元可同步触发力采集装置、图像采集装置和转动角度采集装置。

本发明中，所述支撑平台上设有定位锁紧装置。

本发明中，所述力采集装置为多维力传感器。

本发明中，所述图像采集装置为高速摄像机。

本发明中，所述转动角度采集装置为角度传感器。

本发明中，所述透光承力薄片为玻璃片或亚克力片。

本发明中，所述光源为光纤或微型LED灯带。

本发明还提供了多维接触力及真实接触面积动态同步测试方法，其采用上述的测试系统，包括步骤如下：

步骤1：初始化测试系统；

步骤2：启动驱动单元驱动支撑平台转动，使测试平面达到需要的角度；

步骤3：控制单元向力采集装置、图像采集装置和转动角度采集装置发出同步触发信号，开始同步采集过程；

步骤4：令待测试物体与透光承力薄片接触，根据需求转动支撑平台；

步骤5：接触分离后控制单元保存记录的数据；若未结束则重复步骤2、3、4；

步骤6：对采集到的图像进行二值化处理后得到真实接触面积。

本发明中，所述步骤1中初始化过程包括：

调节图像采集装置的焦距达到需要的清晰度和分辨率，然后开启光源并调节达到需要的亮度，将图像采集装置设置为连续拍摄状态；

检测力采集装置是否有信号输出，然后对力采集装置进行标定，清除零输出，最后将力采集装置设置为连续采集状态；

检测转动角度采集装置是否有信号输出，然后对转动角度采集装置进行标定，清除零输出，最后转动角度采集装置设置为连续采集状态。

本发明的有益效果在于：(1)、将力学测量和真实接触面积测量进行了集成，将用于与物体接触面的透光薄片与测力的多维力传感器直接连接，使得薄片与物体接触后在产生清晰的接触斑的同时，也能将多维接触作用力传递至力传感器上，这种结构方式保证了接触力与真实接触斑同步性；在控制单元上产生触发信号，同步触发力采集装置、图像采集装置，真正实现了力学信号与接触图像信号的同步产生、采集；本发明能够测试不同角度的黏附接触，研究接触面与重力方向呈不同角度时物体间的黏附接触特性，特别适用于黏附动物运动过程中的黏附和接触研究；(2)、通过支撑平台的转动，可模拟出与重力的不同夹角，以便研究重力是如何影响接触状态的；(3)、本发明结构简单，实现容易，制造成本低廉。

附图说明

图1为本发明接触力及真实接触面积的同步测试系统的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4本发明中真实接触面积原理图；

图5本发明测试方法的步骤流程图。

图中：1-支撑刚架，2-轴承，3-转轴，4-支撑平台，5-多维力传感器，6-力传感器信号线，7-透光承力薄片，8-高速摄像机，9-高速摄像机信号线，10-光源，11-光线，12-第一同步带轮，13-同步带，14-第二同步带轮，15-步进电机，16-步进电机控制信号线，17-角度传感器，18-角度传感器信号线；19-控制计算机，20-定位锁紧装置，21-物体。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并不能理解为对本发明的限定。

如图1、图2和图3所示，本发明的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，包括支撑刚架1、转轴3、支撑平台4、多维力传感器5、透光承力薄片7、高速摄像机8、光源10、角度传感器17和控制计算机19。转轴3两端分别通过轴承2固定在支撑刚架1上，支撑平台4为一个刚性平板结构，与转轴3固连，可相对于支撑刚架1进行转动。

多维力传感器5、透光承力薄片7、高速摄像机8和光源10组成接触力及真实接触面积测量单元。多维力传感器5固定安装在支撑平台4上，多维力传感器5通过力传感器信号线6与控制计算机19的第一信号采集端相连。透光承力薄片7固定在多维力传感器5顶部，透光承力薄片7与多维力传感器5的法向垂直。高速摄像机8设置于透光承力薄片7的下方，高速摄像机8固定在支撑平台4上，高速摄像机8的视觉方向与透光承力薄片7垂直，即二者相对垂直设置；高速摄像机8通过高速摄像机信号线9与控制计算机19的第二信号采集端相连。光源10设置在透光承力薄片7的左侧边或右侧边上，与透光承力薄片7紧贴以保证光线11能直接射入到透光承力薄片7内，减少损耗。本实施例中，光源10采用的是光纤，亦可用微型LED灯带代替。透光承力薄片7采用为玻璃片，当然亦可用亚克力薄片等代替。对于拍摄频率要求不高的情形，高速摄像机8也可以采用普通摄像机代替。

如图3所示，本发明中共采用16个接触力及真实接触面积测量单元，16个接触力及真实接触面积测量单元采用两排并列(2×8)的方式设置在支撑平台4上。在实际安装时，应当保证各测量单元的顶端齐平，并避免安装应力造成多维力传感器5漂移。在实际使用过程中接触力及真实接触面积测量单元的数量并不限于16个，可以根据实际需要进行选择1个或其他数量。

在转轴3的左侧安装定位锁紧装置20，用于将支撑平台4固定在一个的固定的角度上，以满足不同角度的测试需要。转轴3的右侧安装角度传感器17，角度传感器17通过角度传感器信号线18与控制计算机19的第三信号采集端相连，实时测量记录转轴3的角度。多维力传感器5、高速摄像机8和角度传感器17的三组信号同步。

转轴3的右端部安装第一同步带轮12，支撑刚架1的下部安装步进电机15，步进电机15的输出轴上安装第二同步轮14，第一同步带轮12与第二同步轮14之间通过同步带13相连，实现二者间的传动。步进电机15通过步进电机控制信号线16与控制计算机19第一控制端相连接，根据实际使用需求，在控制计算机19上编程控制实现步进电机15不同角度、不同速度的转动。

如图4所示，本发明充分利用了受抑全反射原理，当光源10发射出的光线11从侧面进入透光承力薄片7后，由于透光承力薄片7的外部均为光疏的空气，那些入射角满足全反射条件的光线因为在透光承力片7内部发生连续不断的全反射而无法透射到透光承力薄片7外部，只有入射角不满足全反射条件的光线会投射出来。在这种情形下，通过高速摄像机8拍摄到的画面的光强度是均匀的，且较弱。而一旦有物体21与透光承力薄片7的表面发生真实物理接触后，该处界面上的光学特性发生改变，接触区域内的光线不再完全发生全反射，而是透射到透光承力薄片7外部，从高速摄像机8的视野中就能够看到亮度远远大于非接触区域的亮斑—真实接触斑，通过高速摄像机8可以将这个斑点的变化过程实时地记录下来。

同时，多维力传感器5测量同步测量待测物体21与透光承力薄片7接触时的接触力。角度传感器17与转轴3的配合，转动模拟出与重力的不同夹角，以便研究重力是如何影响接触状态。

如图5所示，本发明的接触力及真实接触面积动态同步测试，包括步骤如下：

步骤1：开启电源进行系统初始化：

首先调节高速摄像机8的焦距达到需要的清晰度和分辨率，然后启动光源，光效果射入透光承力薄片7，调节光源达到需要的亮度；接下来将高速摄像系机8设置为连续拍摄状态；

首先检测多维力传感器5是否有信号输出，然后对多维力传感器5进行标定，接下来清除由于通道转动、温度漂移因素引起的零输出，最后将多维力传感器5设置为连续采集状态。

首先检测角度传感器17是否有信号输出，然后对角度传感器17进行标定，接下来清除由于通道转动、温度漂移因素引起的零输出，最后将角度传感器17设置为连续采集状态。

步骤2：启动步进电机15转动刚架4以达到需要的测试角度；

步骤3：通过控制计算机19接口向高速摄像机8、多维力传感器5和角度传感器17同时发出一个高电平信号，当上述三者接收到高电平信号时，开始同步采集过程；

步骤4：令等测试物体与透光承力薄片7接触，根据需求通过步进电机15控制刚架4的转动；

步骤5：接触分离后控制计算机19保存记录的数据；若未结束则重复步骤2、3、4，否则在控制计算机19上检查保存的数据。

步骤6：测量结束后通过对采集的图像进行二值化处理后得到真实接触面积。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：包括可转动的支撑平台；所述支撑平台上安装若干个接触力及真实接触面积测量单元；所述接触力及真实接触面积测量单元包括力采集装置、图像采集装置、透光承力薄片和光源，所述透光承力薄片固定在力采集装置顶部，图像采集装置固定在透光承力薄片下方，视觉方向与透光承力薄片相对垂直设置；所述光源紧贴设置在透光承力薄片的侧面；所述力采集装置和图像采集装置分别连接控制单元。

2.根据权利要求1所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：所述接触力及真实接触面积测量单元为多个，多个接触力及真实接触面积测量单元呈两排并列设置，多个接触力及真实接触面积测量单元的顶端平齐。

3.根据权利要求1或2所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：所述支撑平台连接转动驱动单元；所述转动驱动单元包括步进电机、第一同步带轮、第二同步带轮和同步带，所述第一同步带轮与支撑平台固连，第二同步带轮与步进电机固连，第一同步带轮与第二同步带轮间通过同步带传动；所述支撑平台上安装转动角度采集装置，所述转动角度采集装置和步进电机均连接控制单元。

4.根据权利要求3所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：所述控制单元可同步触发力采集装置、图像采集装置和转动角度采集装置。

5.根据权利要求4所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：所述支撑平台上设有定位锁紧装置。

6.根据权利要求5所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：所述透光承力薄片为玻璃片或亚克力片。

7.根据权利要求6所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统，其特征在于：所述光源为光纤或微型LED灯带。

8.一种多维接触力及真实接触面积动态同步测试方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的测试系统，包括步骤如下：

步骤1：初始化测试系统；

步骤2：启动驱动单元驱动支撑平台转动，使测试平面达到需要的角度；

步骤3：控制单元向力采集装置、图像采集装置和转动角度采集装置发出同步触发信号，开始同步采集过程；

步骤4：令待测试物体与透光承力薄片接触，根据需求转动支撑平台；

步骤5：接触分离后控制单元保存记录的数据；若未结束则重复步骤2、3、4；

步骤6：对采集到的图像进行二值化处理后得到真实接触面积。

9.根据权利要求8所述的多维接触力及真实接触面积动态同步测试方法，其特征在于，所述步骤1中初始化过程包括：

调节图像采集装置的焦距达到需要的清晰度和分辨率，然后开启光源并调节达到需要的亮度，将图像采集装置设置为连续拍摄状态；

检测力采集装置是否有信号输出，然后对力采集装置进行标定，清除零输出，最后将力采集装置设置为连续采集状态；

检测转动角度采集装置是否有信号输出，然后对转动角度采集装置进行标定，清除零输出，最后转动角度采集装置设置为连续采集状态。