CN115682961A - 基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统及方法，该系统包括：钨卤素灯光源模块，用于发射光束；第一凸透镜，用于将钨卤素灯光源模块的发射光准直为平行光束；迈克尔逊干涉仪模块，用于将光束分束为强度相等的两束光，作为参考光、探测光分别汇聚于参考镜、待测轴承涂层表面，反射后重合发生干涉，形成干涉光束；以及二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、柱透镜和面阵CCD相机，干涉光束经反射镜传播至反射式光栅，并按波长在空间分光后由柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹，进而获得轴承涂层厚度信息。该系统及方法有利于对自润滑轴承涂层厚度进行非接触无损检测，测量速度快，检测精度高。

Description

基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统及方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统及方法。

背景技术

自润滑轴承与销轴，结构简单紧凑、承载能力大，被广泛应用于航天航空、高速运输和军工装备等高精尖领域的机械设备中。轴承涂层的磨损、裂纹及气泡等损伤严重影响涂层的粘接润滑性能，涂层厚度也直接影响到轴承销轴组件的使用寿命。目前对轴承的涂层检测多为端面抛磨后的扫描电镜和能谱仪检测，属于对涂层和轴承部件的破坏性检测，与自润滑涂层实际工况存在差异，很难实现对整体涂层厚度的高精度测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统及方法，该系统及方法有利于对自润滑轴承涂层厚度进行非接触无损检测，测量速度快，检测精度高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统，包括：

钨卤素灯光源模块，用于发射光束；

第一凸透镜，用于将钨卤素灯光源模块发射的点光束准直为平行光束；

迈克尔逊干涉仪模块，用于将光束分束为强度相等的两束光，作为参考光、探测光分别汇聚于参考镜、待测轴承涂层表面，反射后重合发生干涉，形成干涉光束；以及

二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、柱透镜和面阵CCD相机，干涉光束经反射镜传播至反射式光栅，并按波长在空间分光后由柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵 CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹，通过图像处理及计算获得轴承涂层厚度信息。

进一步地，所述迈克尔逊干涉仪模块包括分束器、第二凸透镜、平面反射镜和第三凸透镜，所述平面反射镜作为参考镜，所述分束器将入射的光束分束为强度相等的两束光，一束作为参考光经第二凸透镜汇聚于参考镜，另一束作为探测光经第三凸透镜汇聚于三维移动平台上的待测轴承涂层样品表面，两束光经反射至分束器后发生干涉，并出射至二维光谱仪模块的反射镜。

进一步地，还包括计算机，所述计算机上安装有图像处理及计算软件模块，用于根据获得的二维干涉光谱条纹计算获得轴承涂层厚度信息。

本发明还提供了基于上述系统的自润滑轴承涂层厚度检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、钨卤素灯光源模块发射点光束，经凸透镜准直为平行光束，而后经迈克尔逊干涉仪模块的分束器分束为强度相等的两束光，一束作为参考光汇聚于迈克尔逊干涉仪模块的参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测轴承涂层样品表面，两束光经反射至分束器后发生干涉，干涉光束出射至二维光谱仪模块的反射镜，经反射后传播至反射式光栅；反射式光栅按波长在空间分光后由二维光谱仪模块的柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹；

步骤S2、二维光谱仪模块将采集到的干涉光谱条纹图像传输到计算机，对条纹信号进行处理，对采集到的一系列图像进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率；

步骤S3、将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率，即得到待测样品层析结构图。

进一步地，所述步骤S2中，光源经参考光路后被光谱仪采集到的信号为：

I_R(A)＝S_R(k)e^2ikr (1)

式中，S_R(k)为参考光的谱功率分布函数，e^2ikr为相位，2r为参考比的光程长度， k为波数且k＝2π/λ；

样品反射光为：

式中，S_S(k,z)为对应样品不同深度的反射光的谱功率分布函数，n为样品反射率； r+nz为样品在深度z上对应的光程；

当参考光和反射光发生干涉后，被系统接受并转换成干涉光谱信号为：

式(3)得到的为真实的干涉光谱信号，而实际采集到的信号即自润滑轴承涂层区域光学干涉信号为：

进一步地，所述步骤S3中，待测样品层析结构图的计算方法为：

式中，

代表卷积运算；将信号乘以自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即为探测到的轴承涂层在深度上的信息，即得到待测样品层析结构图。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过获取轴承涂层的二维干涉条纹图像，通过信号处理即可有效获取自润滑轴承涂层厚度信息，不对涂层和轴承造成损伤，无需抛磨即可实现自润滑轴承涂层厚度的高精度无损检测，克服了传统系统及方法需要破坏性检测的缺点。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的系统二维结构示意图。

图2是本发明实施例的系统三维结构示意图。

图3是本发明实施例中自润滑轴承涂层样品图。

图4是本发明实施例中涂层层析结构图。

图5是本发明实施例中部分自润滑轴承涂层样品的检测结果和实际涂层厚度对比表。

图中：1、钨卤素灯光源模块；2、第一凸透镜；3、第一平面反射镜；4、第二凸透镜；5、分束器；6、第三凸透镜；7、待测轴承涂层样品；8、三维精密移动平台；9、第二平面反射镜；10、反射式光栅；11、柱透镜；12、面阵CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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。

如图1、2所示，本实施例提供了一种基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统，包括钨卤素灯光源模块1、第一凸透镜2、迈克尔逊干涉仪模块和二维光谱仪模块。

钨卤素灯光源模块1用于发射光束。

第一凸透镜2用于将钨卤素灯光源模块1发射的点光束准直为平行光束。

迈克尔逊干涉仪模块用于将光束分束为强度相等的两束光，作为参考光、探测光分别汇聚于参考镜、待测轴承涂层表面，反射后重合发生干涉，形成干涉光束。在本实施例中，迈克尔逊干涉仪模块包括分束器5、第二凸透镜4、第一平面反射镜3和第三凸透镜6，所述第一平面反射镜3作为参考镜，所述分束器5将入射的光束分束为强度相等的两束光，一束作为参考光经第二凸透镜4汇聚于参考镜3，另一束作为探测光经第三凸透镜6汇聚于三维精密移动平台8上的待测轴承涂层样品表面，两束光经反射至分束器5后发生干涉，并出射至二维光谱仪模块的第二平面反射镜9。

二维光谱仪模块包括第二平面反射镜9、反射式光栅10、柱透镜11和面阵CCD相机12，干涉光束经第二平面反射镜9传播至反射式光栅10，并按波长在空间分光后由柱透镜11汇聚成干涉谱线，由面阵CCD相机12采集获得二维干涉光谱条纹，通过图像处理及计算获得轴承涂层厚度信息。

在本实施例中，系统还包括计算机，所述计算机上安装有图像处理及计算软件模块，用于根据获得的二维干涉光谱条纹计算获得轴承涂层厚度信息。

本实施例还提供了基于上述系统的自润滑轴承涂层厚度检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、钨卤素灯光源模块发射点光束，经凸透镜准直为平行光束，而后经迈克尔逊干涉仪模块的分束器分束为强度相等的两束光，一束作为参考光汇聚于迈克尔逊干涉仪模块的参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测轴承涂层样品表面，样品结构如图3 所示；两束光经反射至分束器后发生干涉，干涉光束出射至二维光谱仪模块的反射镜，经反射后传播至反射式光栅；反射式光栅按波长在空间分光后由二维光谱仪模块的柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹。

步骤S2、二维光谱仪模块将采集到的干涉光谱条纹图像传输到计算机，对条纹信号进行处理，对采集到的一系列图像进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率。

步骤S3、将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率，即得到如图4所示的待测样品层析结构图。

所述步骤S2中，光源经参考光路后被光谱仪采集到的信号为：

I_R(A)＝S_R(k)e^2ikr (1)

式中，S_R(k)为参考光的谱功率分布函数，e^2ikr为相位，2r为参考比的光程长度， k为波数且k＝2π/λ。

样品反射光为：

式中，S_S(k,z)为对应样品不同深度的反射光的谱功率分布函数，n为样品反射率； r+nz为样品在深度z上对应的光程。

当参考光和反射光发生干涉后，被系统接受并转换成干涉光谱信号为：

式(3)得到的为真实的干涉光谱信号，而实际采集到的信号即自润滑轴承涂层区域光学干涉信号为：

所述步骤S3中，待测样品层析结构图的计算方法为：

式中，

代表卷积运算；将信号乘以自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即为探测到的轴承涂层在深度上的信息，即得到待测样品层析结构图。

本实施例中，采用本系统及方法对多个自润滑轴承涂层样品进行厚度检测，检测结果与实际涂层厚度的对比如图5中的表1所示。从实验对比结果可以看到，本系统及方法具有较强的可行性和准确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统，其特征在于，包括：

钨卤素灯光源模块，用于发射光束；

第一凸透镜，用于将钨卤素灯光源模块发射的点光束准直为平行光束；

迈克尔逊干涉仪模块，用于将光束分束为强度相等的两束光，作为参考光、探测光分别汇聚于参考镜、待测轴承涂层表面，反射后重合发生干涉，形成干涉光束；以及

二维光谱仪模块，包括反射镜、反射式光栅、柱透镜和面阵CCD相机，干涉光束经反射镜传播至反射式光栅，并按波长在空间分光后由柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹，通过图像处理及计算获得轴承涂层厚度信息。

2.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪模块包括分束器、第二凸透镜、平面反射镜和第三凸透镜，所述平面反射镜作为参考镜，所述分束器将入射的光束分束为强度相等的两束光，一束作为参考光经第二凸透镜汇聚于参考镜，另一束作为探测光经第三凸透镜汇聚于三维移动平台上的待测轴承涂层样品表面，两束光经反射至分束器后发生干涉，并出射至二维光谱仪模块的反射镜。

3.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测系统，其特征在于，还包括计算机，所述计算机上安装有图像处理及计算软件模块，用于根据获得的二维干涉光谱条纹计算获得轴承涂层厚度信息。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述系统的基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、钨卤素灯光源模块发射点光束，经凸透镜准直为平行光束，而后经迈克尔逊干涉仪模块的分束器分束为强度相等的两束光，一束作为参考光汇聚于迈克尔逊干涉仪模块的参考镜，另一束作为探测光汇聚于待测轴承涂层样品表面，两束光经反射至分束器后发生干涉，干涉光束出射至二维光谱仪模块的反射镜，经反射后传播至反射式光栅；反射式光栅按波长在空间分光后由二维光谱仪模块的柱透镜汇聚成干涉谱线，由面阵CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹；

步骤S2、二维光谱仪模块将采集到的干涉光谱条纹图像传输到计算机，对条纹信号进行处理，对采集到的一系列图像进行快速傅里叶变换，提取出各行像素点强度变化频率；

步骤S3、将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率，即得到待测样品层析结构图。

5.根据权利要求4所述的基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，光源经参考光路后被光谱仪采集到的信号为：

I_R(A)＝S_R(k)e^2ikr (1)

式中，S_R(k)为参考光的谱功率分布函数，e^2ikr为相位，2r为参考比的光程长度，k为波数且k＝2π/λ；

样品反射光为：

式中，S_S(k,z)为对应样品不同深度的反射光的谱功率分布函数，n为样品反射率；r+nz为样品在深度z上对应的光程；

当参考光和反射光发生干涉后，被系统接受并转换成干涉光谱信号为：

式(3)得到的为真实的干涉光谱信号，而实际采集到的信号即自润滑轴承涂层区域光学干涉信号为：

6.根据权利要求4所述的基于光学相干层析的自润滑轴承涂层厚度检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，待测样品层析结构图的计算方法为：

式中，

代表卷积运算；将信号乘以自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即为探测到的轴承涂层在深度上的信息，即得到待测样品层析结构图。

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