CN1077528A - 测量点、线之间的润滑油膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量点、线之间润滑油膜厚度的方法，属于 薄膜厚度的测量方法。该方法用光线通过半透半反 膜和要测的油膜，产生不同光程的反射，形成干涉环， 干涉环上有明暗不同的光环，测出光环上各点的干涉 光强，得出最大干涉光强，最小干涉光强及干涉环中 心区的干涉光强，同时再测得光线只通半透半反膜， 不加润滑油膜时干涉环中心的干涉光强，即可按公式 求得润滑油膜的厚度。

式中λ₁—入射光波长，I₀—无油膜时干涉环中心 区的光强，I—有油膜时干涉环中心区的光强，n_油— 润滑油的折射率，h_油—油膜厚度，I_max—有油膜时干 涉环的最大光强，I_min—有油膜时干涉环的最小光 强。

Description

本发明涉及摩擦副中润滑油膜厚度的测量。

在摩擦副中（如轴承）常处于乏油工作状态，其润滑油膜的厚度极小，属于薄膜范围，一般为2nm-100nm的数量级。而润滑油膜的厚度对摩擦副的工况影响很大，因此要研究润滑膜的厚度与摩擦副工况的关系就要精确测得润滑油膜的数值。目前的薄膜测量技术尚难达到要求。1991年英国帝国理工学院的G.J.Johnston，R.Wayte和H.A.Spikes等人采用垫层法来测量薄膜，该法的基本原理如图1所示，在一玻璃盘（1）的下表面镀一层半透半反的铬膜（2），再在铬膜（2）的表面镀一层倾斜的siO₂膜（3），在siO₂膜（3）下a处放置钢球（4），从玻璃盘（1）不镀膜的一面用白光（5）照射，入射光一部分在铬膜处反射，另一部分透过铬膜（2）及siO₂膜（3）从钢球（4）表面处反射，两部分反射光会合后产生干涉，并通过改变波长的办法测出该干涉光的最大值。然后移动钢球（4），依次在b、c......各点测出该点的干涉光的最大值，然后在siO₂镀膜（3）与钢球之间加上润滑油膜，再将钢球放在a处，测出干涉光的最大值。此时因增加了润滑油膜的厚度，所以测得的干涉光强与不加润滑油膜时不一样。将所测得的最大干涉光强值与不加润滑油膜时所测得的各最大干涉光强值对比即可，得到与该光强相等，不加润滑油膜时钢球所处的位置（如c点）。即表示加润滑油膜后在a点处钢球表面与铬膜表面的距离相等于不加润滑油膜时在c处钢球表面与铬膜的距离。（也即在c处，siO₂镀膜的厚度），在已知siO₂镀膜的斜率及a，c两点之间的距离后，即可求得c点siO₂镀膜的厚度，因此即可得知在a处润滑油膜的厚度。该方法在光路设计中采用全息光栅分光的方式，得不到不同涉长的干涉环。该方法虽可求得某一点的润滑油膜的厚度，但有下列缺点：

择采样区，使采样区过长，（缝宽100-500μ）所以水平方向分辨率较低（为100-500μm）。

2.由于siO₂镀膜为倾斜镀层，所以误差较大，影响精度。且仪器安装困难。

3.润滑油膜介面为玻璃与金属，而实际情况为金属与金属接触，所以与实际情况有一定差距。

本发明的目的是提供一种水平分辨率较高、测量精度较高的薄膜测量技术。

本发明的内容是利用光线通过半透反膜和要测的润滑油膜，产生不同光程的光反射，形成干涉环，干涉环上有明暗不同的光环，在光环的每一点上都可以测得该点的干涉光强，可以测出最大干涉光强Imax和最小干涉光强Imin及干涉环中心的光强I。同时当不加润滑油膜时光线只通过半透半反膜，也可以得到一个干涉环可以测得该干涉环中心的光强为I₀，按光干涉的原理，干涉环各点的光强与该点光的光程差成一定的比例关系，也就是与润滑油膜的厚度成一定的比例关系，因此依据光的干涉方程，在有润滑油膜时的润滑油膜的厚度可以由下式求得

$h_{油}＝\frac{{\lambda }_i}{{\mathrm{4\pi n}}_{油}}\mathrm{［arc\; coo(}\frac{{\mathrm{2I-I}}_{\mathrm{wa\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}{I_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\mathrm{mj\; n}}}\mathrm{)\; -arc\; Coo(}\frac{{\mathrm{2I}}_0{\mathrm{-I}}_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}{I_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}\mathrm{)\; ］}$

                                                                                －（1）

式中 λ₁-入射光的波长

I₀-无油膜时干涉环中心区的光强

I-有油膜时干涉环中心区的光强

n_油-油的折射率

h_油-油膜厚度

Imax-有油膜时干涉环的最大光强

Imin-有油膜时干涉环的最小光强

因此本发明的内容可以归结为：

利用光线通过半透半反膜及润滑油膜后产生不同光程的光反射，形成干涉环，测出干涉环中心区的干涉光强I及干涉的最大干涉光强Imax，最小干涉光强Imin。再测出光线只通过半透半反膜，没有润滑油膜时形成的干涉环中心区的干涉光强I₀，即可用下式求得润滑油膜的厚度

$h_{油}＝\frac{{\lambda }_i}{{\mathrm{4\pi n}}_{油}}\mathrm{［arc\; coo(}\frac{{\mathrm{2I-I}}_{\mathrm{wa\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}{I_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\mathrm{mj\; n}}}\mathrm{)\; -arc\; Coo(}\frac{{\mathrm{2I}}_0{\mathrm{-I}}_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}{I_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}\mathrm{)\; ］}$

说明附图如下：

图1为垫层法测量油膜厚度示意图

图2为本发明测量方法产生干涉光的示意图

图3为本发明测量法摄得的光环图

结合附图说明本发明的测量过程及实施例如下：

本发明干涉环是这样产生的（见图2）。将一镀有半透半反膜的玻璃板（6）放在一曲面（7）上，在曲面（7）与玻璃板（6）之间加上润滑油膜（8）。在玻璃板（6）与曲面（7）的接触处，曲面形成一个很小的平台。当入射光（9）射到半透半反膜（10）时，有一部分光线被反射，其光强为I₁，其他光透过半透半反膜（10）及润滑油膜（8）到达曲面（7）后反射，其光强为I₂，这两束光线由于有光程差，所以会产生干涉，该两束干涉光在显微镜的目镜上成象，再经过单色仪把入射的白光滤成单色光，然后通过CCD摄取，即可在监视器上显示出单色波长的干涉环，然后通过图象采集卡将图象输入到计算机中进行数据处理，即可求得干涉环中的Imax，Imin，干涉环中心的光强I。再将润滑油膜除去，曲面（7）上只放镀有半透半反膜的玻璃板（6），用光线照射，同样方法可以得到另一干涉环，用计算机读出该干涉环的中心区光强为I₀。这样就可按式①求得中心区的润滑油膜厚度h_油。

本发明由于利用了单色光的干涉光环中各点不同的光强与光线的光程差。有一定的关系，也就是与油膜厚度有一定的关系，所以可以准确的测得油膜厚度，且分辨率高，膜厚分辨率可优于1nm，水平分辨率可达2μm。

Claims (1)

1、一种测量点、线之间润滑油膜厚度的方法，其特征是使光线通过半透半反膜和要测的润滑油膜，产生不同光程的光反射，形成干涉环，干涉环上有明暗不同的光环，测出光环上各点的干涉光强，可得到最大干涉光强Imax及最小干涉光强Imin，及干涉环中心的干涉光强I，同时再测得光线只通过半透半反膜，不加润滑油膜时干涉环中心的光强Io，即可按下式求得润滑油膜的厚度，

$h_{油}＝\frac{{\lambda }_i}{{\mathrm{4\pi n}}_{油}}\mathrm{［arc\; coo(}\frac{{\mathrm{2I-I}}_{\mathrm{wa\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}{I_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\mathrm{mj\; n}}}\mathrm{)\; -arc\; Coo(}\frac{{\mathrm{2I}}_0{\mathrm{-I}}_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}{I_{\mathrm{ma\; x}}{\mathrm{-I}}_{\min }}\mathrm{)\; ］}$

式中 λ_i-入射光的波长

      Io-无油膜时干涉环中心区的光强

      I-有油膜时干涉环中心区的光强

n_油-润滑油的折射率

h_油-油膜厚度

      Imax-有油膜时干涉环的最大光强

      Imin-有油膜时干涉环的最小光强