CN112964184A

CN112964184A - 一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法

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Publication number: CN112964184A
Application number: CN202110386926.9A
Authority: CN
Inventors: 董秀成; 王超; 古世甫; 钱泓江
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2041-04-12
Also published as: CN112964184B

Abstract

本发明公开了一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法，其中，所述装置包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。本发明将测量油膜灰度、油膜厚度的过程高度一体化和自动化，实用性更高；本发明考虑到了实际情况下平面油膜的厚度非均匀性，采用点对点测量方式，无需做理想化或平均化处理，数据置信度更高。本发明利用标记点进行坐标变换，给出了详细的数据匹配方案和过程。

Description

一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及表面摩阻实验技术领域，特别涉及一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法。

背景技术

摩阻是表面摩擦阻力的简称，它是流体力学和飞机运动学中不可忽视的关键指标。降低摩阻将直接导致飞行器的油耗下降、航程增加、有效载荷增加。据研究表面，通过分析现代大型明航客机的飞行阻，发现飞行时的摩阻占比高达50％，远远多于其他阻力项。此外，摩阻每下降1％，其碳排放和油耗将下降0.625％，因此，对于摩阻的研究具有及其重要的意义。目前被业界内广泛认可并使用的摩阻测量技术是油膜法。由Brown和Naughton提出的油膜演化方程如式(1)所示：

式中：h为油膜的高度；t为时间；f为表面剪切力；η为油膜粘度；p为压力；d为油膜密度；g为重力加速度；X_i为油膜平面坐标。显然，若已知时间、油膜粘度、压力、密度、重力加速度和油膜平面坐标，则上式反映的是油膜高度h和表面剪切力f二者之间的关系。

油膜法的理论原理即是通过测量待测物表面的油膜厚度变化来计算表面剪切力，进而可衡量其摩阻。故摩阻问题转换成了油膜厚度测量问题。现有的油膜厚度测量方法可分为直接测量和间接测量。直接测量法主要是利用光学测厚仪对指定区域直接测量得到厚度，该方法只能获得局部点的实际厚度，对于表面厚度不均匀的物体，需要大量排列布置光学测厚仪才能完成，极大地增加了实验成本，同时对安装位置要求非常高，故实际应用场景受限；间接测量主要是通过建立油膜厚度和某个便于测量的变量之间的数学模型，在误差允许范围内得到二者的映射关系，进而可以更加方便地通过测量变量值来计算出对应的油膜厚度值，测量范围更广、成本更低，应用广泛。目前间接测量广泛采用的模型是厚度-灰度模型，通过测量得到大量厚度值和其对应的灰度值，建立起理论模型，最后再用实际数据进行测试，检测误差并完善模型。

然而，基于表面摩阻的油膜厚度测量现有方案存在极大的弊端：一部分方案直接将油膜灰度与厚度关系理想化为完美的线性关系，通过光强间接测厚，而在真实实验情况下，由于油膜密度不均、粘度不适、光强不均等问题，其关系仅在某一特殊厚度区间内保持近似的线性关系；另一部分方案的测量方式或装置存在较大的误差，均无法实现油膜真实灰度值与真实厚度值的精准匹配，导致数据失真、映射模型误差过大等问题。鉴于此，基于全局摩阻实验，发明了一种油膜厚度在线测量装置和方法，可以实现点对点的测量，得到真实的映射关系，此测量过程更简单，灰度-厚度的匹配精度更高。

现有技术一：文献《基于荧光油膜的全局表面摩阻测量研究》、文献《Global skinfriction diagnostics in separated flows using luminescent oil》均指出公式：

I(X₁,X₂)＝a*I_ex(X₁,X₂)*h(X₁,X₂) (2)

其中I表示油膜辐射光强，I_ex表示平板辐射光强，a是与光强有关的比列系数，h是油膜厚度。上式表示光强与厚度是严格的线性关系。

现有技术一的缺点：在实际实验的情况下，由于光照不均、油膜密度不均、设备误差等问题，难以实现二者的严格线性关系，仅会在一定的厚度区间内保持近似的线性关系，故现有技术一计算出的表面摩阻将有较大的人为误差。

现有技术二：公开号为CN111412544的专利公布了一种基于溢油扩展实验的油膜厚度检测方法。如图1所示，其主要包括三个步骤：

步骤A：根据预设的图像灰度-油膜厚度映射关系计算生成目标油品对应的图像灰度油膜厚度映射模型；

步骤B：获取目标油品在待测区域内的油膜图像，并对目标油品的油膜图像进行图像灰度处理

得到相应的油膜灰度图像；

步骤C：计算目标油品油膜灰度图像的图像灰度，然后根据目标油品的图像灰度-油膜厚度

映射模型计算生成目标油品相应的油膜厚度。

步骤A包括以下步骤：

步骤A1：在放置有实验用水的实验容器中注入一定质量的目标油品；

步骤A2：待目标油品在实验用水中扩展至铺满实验容器表面时，采集相应的油膜图像并计算

相应的油膜厚度；然后对油膜图像进行图像灰度处理并计算得到相应的图像灰度；

步骤A3：重复步骤A1和步骤A2多次，得到多组目标油品的图像灰度和相应的油膜厚度的数据组；

现有技术二的缺点：

在步骤A2中提到的油膜厚度计算方法是利用注入油品的质量、油品的密度、容器表面积，通过密度公式实现的。然而，在实际实验中，由于油品具有粘性，难以均匀扩展开，尤其是在与容器相接触的部分会凸起，如图1所示。这就导致无法形成理想的薄圆柱体油膜，计算得到的厚度值并非真实厚度值。

现有技术三：公开号为CN112050745A的专利公布了一种物体表面油膜厚度在线测量装置，如图2所示，该装置包括物体放置平台、龙门架、光源系统和光电传感器等。光电传感器8用于测量油膜厚度，可在龙门架上轴向移动；下方的物体放置平台连接有传送带4，可以实现另一个方向的移动；两个移动方向构成xy坐标系，故可以连续测量得到下方平台上油膜的实际的厚度。

现有技术三的缺点：

该装置属于厚度直接测量，由于测得的单个厚度值只能代表一个微小区域的情况，只能适用于测量工作量较小的工作场景，若待测区域过大，所需时间将大大延长，一方面将直接影响工作效率，另一方面持续长时间的工作也会影响电机和运动单元的性能，增大误差。若能建立起油膜厚度-灰度映射模型，即可通过处理指定区域的图像信息，代入映射模型迅速得到该区域的油膜厚度分布，极大的减少了测量时间。

现有技术四：公开号为CN108225718A的专利中提出了一种无需光学测厚仪即可建立油膜灰度-厚度映射模型的装置。示意图如图3所示，该装置由1、3、4三块平板搭建而成，其中3是透明平板。三块平板间形成了三角形缝隙，在其缝隙中填入油膜，由三块平板的尺寸可求得此三角形缝隙的长度和尺寸参数，故可得到此缝隙中指定位置的油膜高度。用相机拍摄此装置并进行灰度化处理，可得到三角形油膜区域的灰度信息，进而可根据厚度和灰度的对应关系进行建模。

现有技术四的缺点：

由于油膜始终具有流动性，在无外物限制的情况下油品总是趋于往低处流动，此装置前后方位并未设置挡板，高处的油必定会扩散出去，这将导致平板1和平板3的接触区域难以饱满填充，达不到理想高度，影响模型精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置及测量方法，其最大特点是可以建立更为真实的油膜厚度-灰度模型，且没有忽略油膜的厚度不均匀性，使得表面摩阻测量更为精准。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。

进一步地，所述油膜平台包括油膜板和黑色背景板，所述油膜板安装固定在黑色背景板上，所述黑色背景板安装固定在xy双轴滑台上，所述黑色背景板表面贴有白色标记点。

进一步地，所述油膜板为方形油膜板，所述白色标记点的中心与方形油膜板左上角点水平距离为1cm，以用于后续建立厚度坐标系和灰度坐标系的转换关系。

进一步地，所述CCD相机通过U型相机夹具可调节高度设置在铝型材框架上。

进一步地，所述测厚仪通过测厚仪夹具和测厚仪固定板可调节高度设置在铝型材框架上。

一种根据上述所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤A：首先将测量装置完好安装，在油膜板上涂一层薄油；

步骤B：使用上位机控制xy双轴滑台低速运动到CCD相机的正下方，拍摄本次油膜的图像，并进行后台处理得到相应的灰度图像，由灰度重心法可得标记点中心的像素坐标，由于标记点中心与油膜板角点水平距离为1cm，进行转换可得角点的像素坐标；

步骤C：控制xy双轴滑台运动进行起点定位，使测厚仪刚好测量到油膜板的左上角位置；

步骤D：控制xy双轴滑台进行匀速直线运动，对油膜区域连续测厚，得到一系列随时间变化的油膜厚度值，再根据运动起点、运动时间、运动速度，以油膜板左上角为原点建立直角坐标系，可得到油膜板上每一点的坐标以及对应厚度值；

步骤E：经过以上4个步骤可得到在像素坐标系下的灰度值和在油膜板坐标系下的厚度值，坐标系不同无法进行匹配，下面进行坐标变换，使其都位于同一坐标系下；

步骤F：将油膜擦洗干净，再重复以上步骤，得到数组油膜的厚度和灰度匹配值；

步骤G：对数据进行筛选，去除突变值，然后进行数据拟合，得到油膜的灰度-厚度映射模型h＝F(g)；

步骤H：代入真实测得的数据，验算并完善此映射模型的误差；

步骤I：将目标待测物固定于xy双轴滑台上，移动到CCD相机正下方，获取其表面油膜图像，处理后可得到表面任意点的灰度值，代入映射模型即可得到油膜厚度分布。

进一步地，所述步骤H的具体步骤为：按步骤H之前的步骤实验获取油膜中心点真实的灰度值G1和厚度值H1，将G1代入步骤D中的映射模型，得到理论厚度值H2，对比H1和H2并计算误差。

进一步地，在所述步骤E中，由步骤B可得标记点像素坐标为(u1,v1)，单位为个，已知相机像素单元尺寸为k，单位为um，故油膜板左上角点像素坐标为(u1+10000/k,v1)；若油膜板上像素坐标点(u,v)对应的灰度值为g，则此点对应的油膜板坐标为[(u-u1-10000/k)*k,(v-v1)*k]，单位为um，由步骤D可得此坐标对应的厚度为h，故g和h是一组匹配值；通过软件计算可将厚度值和灰度值用以上方法全部一一匹配起来。

本发明的有益效果是：

一、本发明技术方案对比现有技术方案的最大特点是可以得到不同实验条件下厚度与灰度的真实映射模型，而不是做笼统的理想化为完美的线性关系，同时在测厚过程中没有忽略油膜本身的厚度不均匀性；

一方面完美的线性关系是理论上的、理想化的；另一方面绝对光滑的平面实际上是不存在的，油本身始终具有一定的黏性，导致刷在平面上形成的油膜始终会有一定的微小起伏，实际厚度并非完全一致。本发明的装置是为全局表面摩阻实验做准备，对油膜厚度精度要求非常高，由公式1可知，

此项对厚度变化和时间变化敏感，当时间间隔极小时，分母极小则分式极大，则微小的厚度误差将带来巨大的剪切力误差，简而言之，不能做理想化处理，不能视为厚度一致，不能忽略此误差。采用本发明的装置进行实验，考虑了更多的误差，增强了数据可信度，使最终建立的模型更加精准，适用性更广。

二、现有的测厚技术方案都没有一套完整的测量灰度和厚度的一体化装置，多使用手动测量，分步测量。而此装置将整套实验所需设备都固定于一个框架体系类，使用上位机控制xy双轴滑台运动，来代替手动移动。一方面更加的一体化和自动化，另一方面也降低了手动使用设备时带来的人为误差，实用性较高。

三、本发明给出了灰度-厚度的高精度匹配装置，并且给出了详细的推导和匹配过程，证实了本方案的可行性。

附图说明

图1为现有技术二的示意图；

图2为现有技术三的示意图；

图3为现有技术四的示意图；

图4为本发明提供的一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置的结构示意图；

图5为油膜平台的示意图；

图6为本发明提供的一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置的测量方法流程图；

图7为测厚盲区示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图4所示，一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。此外，用于固定测厚仪和CCD相机的铝型材均可以自由调节高度，以适应不同的测厚对象，保证图像清晰。

在本实施例中，如图5所示，所述油膜平台包括油膜板和黑色背景板，所述油膜板安装固定在黑色背景板上，所述黑色背景板安装固定在xy双轴滑台上，所述黑色背景板表面贴有白色标记点；所述油膜板为方形油膜板，所述白色标记点的中心与方形油膜板左上角点水平距离为1cm，以用于后续建立厚度坐标系和灰度坐标系的转换关系。

在本实施例中，所述CCD相机通过U型相机夹具可调节高度设置在铝型材框架上；所述测厚仪通过测厚仪夹具和测厚仪固定板可调节高度设置在铝型材框架上。

本发明的测量装置是固定测厚仪，使用xy双轴滑台移动油膜，以实验对中心点的精准测厚；反过来，也可以固定油膜，使用丝杆摩阻移动油膜上方的测厚仪，也可以实现对中心点的测厚。

本发明选用xy双轴滑台移动油膜，一方面是因为丝杆模组的定位精度是几十微米，远低于此款进口xy双轴滑台精度，另一方面是测厚仪的测厚单元极小，为38微米，其对振动性很敏感，微小的振动可能导致测厚光线偏离，测厚不稳定。

本发明将测量油膜灰度、油膜厚度的过程高度一体化和自动化，实用性更高。

本发明考虑到了实际情况下平面油膜的厚度非均匀性，采用点对点测量方式，无需做理想化或平均化处理，数据置信度更高。

本发明利用标记点进行坐标变换，给出了详细的数据匹配方案和过程。

实施例2

如图6所示，一种根据上述实施例1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤A：首先将测量装置完好安装，在油膜板上涂一层薄油；

步骤B：使用上位机控制xy双轴滑台低速运动到CCD相机的正下方，拍摄本次油膜的图像，并进行后台处理得到相应的灰度图像，由灰度重心法可得标记点中心的像素坐标，由于标记点中心与油膜板角点距离为1cm，进行转换可得角点的像素坐标(注：由于厚膜厚度极薄、运动速度较低，经实验验证在滑台运动过程中，油膜基本保持稳定)；

步骤D：控制xy双轴滑台进行匀速直线运动，对油膜区域连续测厚(注：油膜板边缘区域不测，只测内部区域)，得到一系列随时间变化的油膜厚度值，再根据运动起点、运动时间、运动速度，以油膜板左上角为原点建立直角坐标系，可得到油膜板上每一点的坐标以及对应厚度值；

本发明步骤A-H是建立映射模型，步骤I是应用此映射模型计算待测物表面油膜厚度，最终应用于全局表面摩阻测量的项目。

本发明在步骤A中接受了油膜厚度无法绝对均匀的事实，而现有方案中均是做理想化处理或取其平均值，将平面油膜视为均匀厚度，故相比之下，本发明的方案更具真实性；

本发明在步骤B和C中，使用的xy双轴滑台是日本NSK公司的进口滑台，往返定位精度可达到1um，运动速度目前采用1mm/s，经实验验证其运动过程中速度均匀、振动极小、运动平稳，可以实现微米级定位，即可以实现对油膜中心点的精准定位，与本发明的最初目的相符。

本发明在步骤BCD中，采用高精度的xy双轴滑台定位并获取灰度值和厚度值，是因为油膜始终具有一定的黏性，在真实实验情况下一层油膜每个点的厚度都并非完全一致，有一定的微小偏差，而如果做理想化处理或者近似处理，可能会导致厚度和灰度的错误匹配(一个点的厚度与附近的另外一个点的灰度匹配)。现有方案中均是理想化为厚度一致，忽略了此误差，仅可用于对测厚精度要求不高的场合，而对表面摩阻这类需要精确测量每个点厚度信息的实验，本发明提供的方案更为有效。

在本实施例中，所述步骤H的具体步骤为：按步骤H之前的步骤实验获取油膜中心点真实的灰度值G1和厚度值H1，将G1代入步骤D中的映射模型，得到理论厚度值H2，对比H1和H2并计算误差。

在本实施例中，在所述步骤E中，由步骤B可得标记点像素坐标为(u1，v1)，单位为个，已知相机像素单元尺寸为k，单位为um，故油膜板左上角点像素坐标为(u1+10000/k,v1)；若油膜板上像素坐标点(u,v)对应的灰度值为g，则此点对应的油膜板坐标为[(u-u1-10000/k)*k,(v-v1)*k]，单位为um，由步骤D可得此坐标对应的厚度为h，故g和h是一组匹配值；通过软件计算可将厚度值和灰度值用以上方法全部一一匹配起来。

本发明针对于对于现有技术一的缺点：

不做理想化处理，通过实际实验测量并计算得出真实的映射模型。

本发明针对于现有技术二的缺点：

此技术在获取用于建模的数据源时，进行了理想化处理，间接计算浮于水平面上油膜厚度值，但实际上由于油膜难以扩散均匀，计算出的厚度值与真实厚度值有较大的误差。本发明的装置会进行点对点的实际测量，获取的厚度值和灰度值是属于同一点的，即使油膜扩散不均匀也不会对实验产生干扰。

本发明针对于现有技术三的缺点：

由上文背景技术公式(1)可知，油膜厚度h和表面剪切力f是对应于某一时刻某一具体位置的一组值。若要计算出物体表面油膜某一块区域的剪切力分布情况，方法一是直接测量厚度，在该区域排列分布多个测厚传感器，方法二是采用间接测量，先测量计算出区域灰度，再代入映射模型计算每个位置的厚度，最后代入式(1)计算出每个位置的剪切力，进而得到整个区域的剪切力分布情况。方法一一方面会大大增加设备成本，另一方面由于测厚仪的体积大小不可忽略，会导致大量的测厚盲区，不适用于本实验应用场景，如图7所示。故本发明采用间接测厚技术，通过建立油膜灰度-厚度的映射模型，进而通过获取油膜灰度值即可计算出对应点的厚度值。

本发明针对于对于现有技术四的缺点：

此技术采用的三角形油膜模型结构上并不完善，三角形空间区域的最高点由于重力作用无法保证饱满填充，真实厚度值小于理论厚度值。故本发明采用槽内刷油、多次刷油方式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：包括铝型材框架、xy双轴滑台、测厚仪、CCD相机、环状光源和油膜平台；所述xy双轴滑台可滑动设置于型材框架上，所述油膜平台固定于xy双轴滑台上，以跟随xy双轴滑台同步移动；所述CCD相机和测厚仪固定于型材框架上，且两者位于xy双轴滑台正上方。

2.根据权利要求1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述油膜平台包括油膜板和黑色背景板，所述油膜板安装固定在黑色背景板上，所述黑色背景板安装固定在xy双轴滑台上，所述黑色背景板表面贴有白色标记点。

3.根据权利要求2所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述油膜板为方形油膜板，所述白色标记点的中心与方形油膜板左上角点水平距离为1cm，以用于后续建立厚度坐标系和灰度坐标系的转换关系。

4.根据权利要求1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述CCD相机通过U型相机夹具可调节高度设置在铝型材框架上，可实现清晰对焦。

5.根据权利要求1所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置，其特征在于：所述测厚仪通过测厚仪夹具和测厚仪固定板可调节高度设置在铝型材框架上。

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的基于表面摩阻实验的油膜厚度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：首先将测量装置完好安装，在油膜板上涂一层薄油；

步骤B：使用上位机控制xy双轴滑台低速运动到CCD相机的正下方，拍摄本次油膜的图像，并进行后台处理得到相应的灰度图像，由灰度重心法可得白色标记点中心的像素坐标，由于标记点中心与油膜板角点距离为1cm，进行转换可得角点的像素坐标；

步骤D：控制xy双轴滑台进行匀速直线运动，对油膜区域连续测厚，得到一系列随时间变化的油膜厚度值，再根据运动起点、运动时间、运动速度，以油膜板左上角为原点建立物理直角坐标系，可得到油膜板上每一点的物理坐标以及对应厚度值；

步骤E：经过以上4个步骤可得到在像素坐标系下的灰度值和在油膜板坐标系下的厚度值，因坐标系不同无法进行匹配，需进行坐标变换，使其都位于同一坐标系下；

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤H的具体步骤为：按步骤H之前的步骤实验获取油膜中心点真实的灰度值G1和厚度值H1，将G1代入步骤D中的映射模型，得到理论厚度值H2，对比H1和H2并计算误差。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：在所述步骤E中，由步骤B可得标记点像素坐标为(u1,v1)，单位为个，已知相机像素单元尺寸为k，单位为um，故油膜板左上角点像素坐标为(u1+10000/k,v1)；若油膜板上像素坐标点(u,v)对应的灰度值为g，则此点对应的油膜板物理坐标为[(u-u1-10000/k)*k,(v-v1)*k]，单位为um，由步骤D可得此坐标对应的厚度为h，故g和h是一组匹配值；通过软件计算可将厚度值和灰度值用以上方法全部一一匹配起来。