CN106896239B - 一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置 - Google Patents

一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置 Download PDF

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    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Abstract

本发明公开了一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，包括照明机构、摩擦副、横向光学观测机构和轴向光学观测机构，所述照明机构为流体标记提供光源，摩擦副包括定制滑块，流体标记通过定制滑块的反射，形成标记的虚像，横向光学观测机构测量并记录垂直于流体标记厚度方向的光学图像，轴向光学观测机构测量并记录流体标记形成的虚像的光学图像，通过对比摩擦副相对于流体标记静止和运动时的图像差异，以实现流体在限制间隙中的三维流速测量与分析。本发明设备简单，易操作。

Description

一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置
技术领域
本发明涉及摩擦副流体薄膜测量领域，具体涉及一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置。
背景技术
流体薄膜广泛存在于微流体器件、轴承和生物体的润滑中。流体动力润滑和弹性流体动力润滑轴向流速分布复杂，除了由两表面相对滑动速度引起的纯剪切流动，还可能存在由压力梯度引起的压力流动。
流体薄膜轴向流速分布受润滑油的结构特性和界面润湿性等多种因素影响，轴向流速分布形状非常复杂。其分布状态影响摩擦副的承载力和摩擦力。同时由于膜厚在微米量级，微间隙轴向成像观测困难，目前对流体膜厚的轴向流速分布研究主要是理论计算，缺乏有效直接的观测手段。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，本发明通过设置横向光学观测机构对垂直于流体标记厚度方向的光学信息进行记录，轴向光学观测机构获取由定制滑块所成虚像，对平行于流体标记厚度平面信息进行成像测量，具有结构简单，易设计加工，可测量微间隙内复杂流体的三维流速分布。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，包括照明机构、摩擦副、横向光学观测机构和轴向光学观测机构，所述照明机构为流体标记提供光源，所述摩擦副包括定制滑块，所述流体标记通过定制滑块的反射，形成标记的虚像，所述横向光学观测机构测量并记录垂直于流体标记厚度方向的光学图像，所述轴向光学观测机构测量并记录流体标记形成的虚像的光学图像，通过对比摩擦副相对静止和运动时的流体标记图像的差异，以实现流体在限制间隙中的三维流速测量与分析。
进一步的，所述摩擦副包括定制滑块和基底，流体被限制在基底和定制滑块之间，照明机构的光源穿过基底将流体标记照明，流体标记区域的发光强度不同于非标记区域。
进一步的，所述定制滑块和基底的位置能够发生相对变动，且该变动限定于水平方向上。
进一步的，所述定制滑块，为斜楔块状结构，具有上下两个平行水平面，一侧为斜面，流体标记的图像经过该斜面反射，形成虚像。
进一步的，所述定制滑块为透明材质。
进一步的，所述斜面同水平面的夹角为30度～60度。
进一步的，所述斜面表面镀有高反膜，滑块下表面和基底镀有增透膜。
进一步的，所述照明机构，包括光源、分光镜和第一物镜，所述光源发出的光线通过分光镜后通过第一物镜会聚，对流体标记进行照明。
进一步的，所述横向光学观测机构包括第一透镜和第一图像传感器，所述第一透镜和第一图像传感器与第一物镜设置在同一轴线上，流体标记的光线直接穿过基底，依次经过第一物镜和分光镜，被第一透镜成像于第一图像传感器上，得到横向流体标记流速信息。
进一步的，所述轴向光学观测机构包括位于同一轴线上的第二物镜、第二透镜和第二图像传感器，流体标记虚像的光线经基底、第二物镜和第二透镜成像到第二图像传感器上，得到轴向流体标记流速信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明实现流体在限制间隙中的三维流速测量，且测试精度高。
(2)本发明结构简单，易操作，可以直接观测流体薄膜的三维流速分布信息。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明所述的测量装置示意图；
图2为本发明所述的测试装置局部放大图；
图3为摩擦副相对静止时获得的图像信息示意图；
图4为摩擦副相对运动时获得的图像信息示意图；
其中，1、流体标记，2、定制滑块，3、标记的虚像，4、基底，5、第一物镜，6、分光镜，7、光源，8、第一透镜，9、第一图像传感器，10、第二图像传感器，11、第二透镜，12、第二物镜，13、摩擦副相对静止时流体标记，14、摩擦副相对静止时第一传感器获得图像，15摩擦副相对静止时第二传感器获得图像，16、摩擦副相对运动时流体标记，17、摩擦副相对运动时第一传感器获得图像，18、摩擦副相对运动时第二传感器获得图像。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中目前对流体膜厚的轴向流速分布研究主要是理论计算，缺乏有效直接观测手段，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置。
本发明采用动态流体标记和虚成像技术，通过横向观测标记和轴向观测标记以获得摩擦副流体薄膜流速的三维信息。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，该装置由照明系统、摩擦副、横向光学观测系统、轴向光学观测系统组成；照明系统包括：光源7、分光镜6、第一物镜5；摩擦副包括：流体标记1、定制滑块2、基底4；横向光学观测系统包括：第一物镜5、第一透镜8和第一图像传感器9；轴向光学观测系统包括第二透镜11、第二物镜12、和第二图像传感器10；横向光学观测系统记录和测量垂直于流体标记1厚度方向的光学图像，轴向光学观测系统记录和测量由定制滑块2反射膜对流体标记1所成虚像3，即沿流体标记1厚度方向进行成像测量。
横向光学观测系统记录和测量垂直于流体标记1厚度方向的光学图像(x-y平面)，轴向光学观测系统记录和测量由定制滑块2反射膜对流体标记1所成虚像3，即沿流体标记1厚度方向进行成像测量(y-z平面)。
上述测试装置中的定制滑块2采用透明材料，为斜楔块状结构，上下两个平行水平面，一侧为斜面，斜面同底面的夹角为30度～60度，且斜面表面镀高反膜，滑块下表面和基底镀增透膜。
上述测试装置中的流体标记1位于定制滑块2与基底4之间，定制滑块2与基底4存在水平方向的相对运动(沿x轴方向运动)。
上述测试装置中的流体标记1可通过荧光漂白恢复或者粒子标记等方式获得，在光源7照射条件下，使流体标记区域1的发光强度不同于非标记区域。
上述测试装置中由光源7发出的光线经分光镜6和第一物镜5会聚，穿过基底4将流体标记1照明，流体标记1被定制滑块2的斜面反射，形成标记的虚像3，标记的虚像3的光线经基底4、第二物镜12和第二透镜11成像到第二图像传感器10上，分析摩擦副相对静止时第一传感器获得图像14和摩擦副相对运动时第一传感器获得图像17之间的差异，从而通过横向光学观测系统得到流体垂直于厚度方向的速度信息。流体标记1的光线直接穿过基底4，经过第一物镜5，透过分光镜6，被第一透镜成像于第一图像传感器9上，分析摩擦副相对静止时第二传感器获得图像15和摩擦副相对运动时第二传感器获得图像18之间的差异，从而通过轴向光学观测系统获得流体沿厚度方向的速度信息。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：包括照明机构、摩擦副、横向光学观测机构和轴向光学观测机构，所述照明机构为流体标记提供光源，所述摩擦副包括定制滑块和基底，所述流体标记通过定制滑块的反射，形成标记的虚像，所述横向光学观测机构测量并记录垂直于流体标记厚度方向的光学图像，所述轴向光学观测机构测量并记录流体标记形成的虚像的光学图像，通过对比摩擦副相对静止和运动时的流体标记图像的差异，以实现流体在限制间隙中的三维流速测量与分析；所述定制滑块，为斜楔块状结构，具有上下两个平行水平面，一侧为斜面，流体标记的图像经过该斜面反射，形成虚像。
2.如权利要求1所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述摩擦副包括定制滑块和基底，所述流体标记被限制在基底和定制滑块之间，照明机构的光源穿过基底将流体标记照明，流体标记区域的发光强度不同于非标记区域。
3.如权利要求2所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述定制滑块和基底的位置能够发生相对变动，且该变动限定于水平方向上。
4.如权利要求1或2或3所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述定制滑块为透明材质。
5.如权利要求1所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述斜面同水平面的夹角为30度～60度。
6.如权利要求1所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述斜面表面镀有高反膜，滑块下表面和基底镀有增透膜。
7.如权利要求1或2或3所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述照明机构，包括光源、分光镜和第一物镜，所述光源发出的光线通过分光镜后通过第一物镜会聚，对流体标记进行照明。
8.如权利要求1或2或3所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述横向光学观测机构包括第一透镜和第一图像传感器，所述第一透镜和第一图像传感器与第一物镜设置在同一轴线上，流体标记的光线直接穿过基底，依次经过第一物镜和分光镜，被第一透镜成像于第一图像传感器上，得到横向流体标记流速信息。
9.如权利要求1或2或3所述的一种定制滑块的摩擦副流体薄膜轴向流速成像测量装置，其特征是：所述轴向光学观测机构包括位于同一轴线上的第二物镜、第二透镜和第二图像传感器，流体标记虚像的光线经基底、第二物镜和第二透镜成像到第二图像传感器上，得到轴向流体标记流速信息。
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