CN116718488A - 一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，涉及剪切模量测量领域，本方法测量待测表面剪应力敏感膜试件倾斜时在自身重力剪切方向分量作用下的表面标记粒子在倾斜方向的位移、施加外部剪应力作用下表面剪应力敏感膜表面标记粒子在倾斜方向的位移及相应的剪应变，消除敏感膜自身重力影响和测量装置内部部件可能存在的刚性位移的影响，且无需夹持待测表面剪应力敏感膜，不产生夹持形变，能够得到表面剪应力敏感膜所受表面剪应力及产生相应剪应变的精确数据，再通过两者函数关系得到表面剪应力敏感膜的剪切模量，本方法能够有效减小测量误差，更准确地得到表面剪应力敏感膜的剪切模量。

Description

一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法

技术领域

本发明涉及剪切模量测量领域，具体地，涉及一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法。

背景技术

飞行器、高速列车、水下航行器等的阻力主要由波阻和表面摩阻组成，其中表面摩阻占总阻力的一半以上。表面剪应力为单位面积上的摩阻，其分布特征是表面流动状态分析、减阻效果评估的重要依据。表面剪应力及其分布特征的预测和测量在空气动力学中一直是一个难点问题。

表面剪应力敏感膜传感技术是一种有望精确测量表面剪应力分布特征的新型技术。表面剪应力敏感膜是一种透明或半透明的、均匀的、不可压缩的弹性膜，表面嵌入随机分布的标记粒子。膜的剪切模量G和厚度h事先精确测定，表面剪切应力作用在膜表面时，膜表面标记粒子发生相应位移，表面剪切应力消失时，标记粒子回到原位。在剪切应变γ很小的条件下，一定区域内的平均表面剪切应力τ和平均剪切应变γ表现为线性关系，剪切模量G即为两者之间的转换系数。表面剪应力的测量是很困难的，且难以做到精确定量。而剪应变γ是通过测量膜的剪切方向位移d和当地膜的厚度h确定的。d和h都是长度量测量，测量方法成熟且相对简单，测量精确度也相对更高。因此，利用表面剪应力敏感膜的这种敏感特性，即可将表面剪应力的测量转换成剪应变的测量。

该技术的前提条件是要事先精确测量表面剪应力敏感膜的剪切模量G，即剪应力和剪应变的转换系数。传统的弹性体剪切模量测量方法采用美国材料与试验协会硫化橡胶和热塑性弹性材料张力试验方法(ASTM D412)。试样制备成ASTM D412中的C型，整体为长条形，厚度为3mm，两端呈杯状，为夹持端。夹持好后，通过测量试样被一定拉力拉伸时产生的长度变化，进而得到试样的弹性模量/剪切模量。然而ASTM D412试验方法对剪切模量较小的软弹性体不太适用，软弹性体在自身重力的作用下会产生一定拉伸长度，且夹持端也易产生较大变形，这些都会带来误差。

表面剪应力敏感膜的剪切模量小于10000Ga，为较软弹性体，如果采用ASTM D412方法测量其剪切模量，就会存在较大误差，且剪切模量越小误差越大。如何对制备的表面剪应力敏感膜的剪切模量进行精确测量是目前存在的难点。

发明内容

本发明目的为对表面剪应力敏感膜的剪切模量进行准确测量。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，待测试件为表面剪应力敏感膜，表面剪应力敏感膜的表面设有标记粒子，所述方法包括：

S1：标定测量装置每像素对应的长度获得标定信息；

S2：基于所述标定信息和所述测量装置，将待测试件按照预设角度序列依次进行多次倾斜，每次均测量获得待测试件在自身重力剪切方向分量作用下的标记粒子在倾斜方向的第一位移数据，累计获得多个第一位移数据，多个第一位移数据与预设角度序列中的倾斜角度一一对应；

S3：基于所述标定信息和所述测量装置，将待测试件按照预设角度序列依次进行多次倾斜，每次均测量获得待测试件在施加外部剪应力和自身重力剪切方向分量共同作用下标记粒子在倾斜方向的第二位移数据，累计获得多个第二位移数据，多个第二位移数据与预设角度序列中的倾斜角度一一对应；

S4：针对预设角度序列中的每个倾斜角度，基于该倾斜角度对应的第二位移数据和第一位移数据，计算获得待测试件在该倾斜角度对应的施加外部剪应力作用下标记粒子在倾斜方向的第三位移数据，累计获得多个第三位移数据；

S5：基于每个第三位移数据和所述标定信息，分别计算获得待测试件倾斜对应角度时在施加外部剪应力作用下产生的剪应变数据，累计获得多个剪应变数据；

S6：分别计算获得在预设角度序列中的每个倾斜角度下施加在待测试件表面的剪应力大小数据，累计获得多个剪应力大小数据，剪应力大小数据与剪应变数据一一对应；

S7：基于多个所述剪应变数据和与其对应的所述剪应力大小数据拟合计算获得表面剪应力敏感膜的剪切模量。

其中，本方法的原理为：首先对测量装置进行标定获得标定信息，利用标定信息便于计算后续的位移数据，然后在没有外力的前提下，测量获得待测试件在自身重力剪切方向分量作用下的标记粒子在倾斜方向的第一位移数据，计算第一位移数据的目的是为了后续计算真实位移数据做准备，将自身重量影响的位移数据提前计算出来，然后在真实位移数据计算时进行剔除，保障真实位移数据，然后测量获得待测试件在施加外部剪应力作用下和自身重力剪切方向分量作用下标记粒子在倾斜方向的第二位移数据，利用第二位移数据减去第一位移数据，获得真实的施加外部剪应力作用下的第三位移数据，基于第三位移数据和标定信息，计算获得待测试件倾斜时在施加外部剪应力作用下产生的剪应变数据，最后基于剪应变数据和剪应力大小数据计算获得表面剪应力敏感膜的剪切模量，本方法基于标定信息和图像处理手段，间接获得了剪应变数据，避免了传统的采用ASTM D412方法测量存在较大误差的问题，本发明能够对表面剪应力敏感膜的剪切模量进行准确测量。

进一步的，步骤S1具体包括：

将标定板表面与待测试件表面齐平；

利用测量装置拍摄标定板图像获得标定图像；

在标定图像中选定线段，线段长度为L，获得线段所占像素数N，得到测量装置每像素对应的长度为L/N。

其中，通过上述标定方式能够准确的对测量装置进行标定。

进一步的，在测量过程中，试件边缘参考区为刚性体，其上标记粒子的位移为倾斜时相机相对试件的刚性位移，若忽略了刚性位移的影响则会导致测量结果不准确，为了进一步保障测量结果的准确性，本方法的优选方案考虑了刚性位移，将刚性位移进行了剔除处理，步骤S2中第一位移数据的获得方式包括：

将待测试件倾斜0度，测量装置拍摄此时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子获得第一粒子图像；

将待测试件倾斜若干个角度，并记录每次倾斜的角度值，测量装置拍摄每次倾斜时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子累计获得若干个第二粒子图像；

基于标定信息、单个第二粒子图像和第一粒子图像获得在单个倾斜角度下待测试件表面粒子的第一位移分布数据和待测试件边缘参考区粒子的第二位移分布数据，累计获得若干个待测试件表面粒子的第一位移分布数据和若干个待测试件边缘参考区粒子的第二位移分布数据，将若干个待测试件边缘参考区粒子的第二位移分布数据分别求平均，每个倾斜角度对应获得一个第一平均位移数据，累计获得若干个第一平均位移数据；

基于单个倾斜角度对应的第一位移分布数据和第一平均位移数据计算获得单个第一位移数据，多个倾斜角度对应累计获得多个倾斜第一位移数据。

其中，通过第二粒子图像和第一粒子图像中进行互相关处理，通过两幅粒子图像作互相关运算获得位移分布，能够获得粒子在图像中偏移的位移数据，然后基于标定信息能够计算出粒子的真实位移数据。

其中，不同倾斜角度下，敏感膜自身重力剪切方向分量的大小不同，产生的形变位移也不一样，两者也不是严格的线性关系，因此倾斜一次是无法测量所有角度下敏感膜在自身重力剪切方向分量作用下的形变位移的，需要倾斜多个角度进行测量。

其中，在调整待测试件倾斜角度时，调整的方式为由初始角度0度逐渐增大至最大角度，然后从最大角度逐渐减小至初始角度。

其中，采用上述角度调整方式的目的是：倾斜角度增大，则敏感膜自身重力在剪切方向的分量也在增大，从而得到不同重力分量作用下敏感膜的剪切形变，后面加载质量块倾斜不同角度时，敏感膜自身重力分量产生的形变要扣除，从0增大至最大角度又回到0，目的是考察敏感膜受力增大和减小时其剪切形变规律是否一致。

进一步的，表面剪应力敏感膜靠近边缘处还受到衬底边缘的拉力影响，敏感膜边缘受力更复杂，无法体现所受外部剪应力与剪应变的关系，因此为了进一步保障测量结果的准确性，在进行第一位移数据计算时，选取第一粒子图像中心区域标记粒子的位移数据进行求平均，再减去对应角度下的第一平均位移数据得到第一位移数据。进一步的，为了保障第二数据测量的准确性，步骤S3中进行了多倾斜角度多次测量求平均，并且剔除了刚性位移的影响，步骤S3包括：

将质量块放置在待测试件表面剪应力敏感膜中心区域表面上，两者之间无缝隙；

将待测试件倾斜0度，测量装置拍摄此时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子获得第三粒子图像；

将待测试件倾斜与步骤S2中对应的若干个角度，测量过程中质量块相对试件表面剪应力敏感膜无滑移，测量装置拍摄每次倾斜时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子累计获得若干个第四粒子图像；

基于标定信息、单个第三粒子图像和第四粒子图像获得在单个倾斜角度下待测试件表面粒子的第三位移分布数据和待测试件边缘参考区粒子的第四位移分布数据，累计获得若干个待测试件表面粒子的第三位移分布数据和若干个待测试件边缘参考区粒子的第四位移分布数据，将若干个待测试件边缘参考区粒子的第四位移分布数据分别求平均获得若干个第二平均位移数据；

基于单个倾斜角度下的第三位移分布数据和第二平均位移数据计算获得单个第二位移数据，累计获得多个第二位移数据。

进一步的，在进行第二位移数据计算时，选取第三粒子图像中心区域标记粒子的位移数据进行求平均，再减去对应角度下的第二平均位移数据得到第二位移数据。

进一步的，第三位移数据等于第二位移数据减去第一位移数据。

进一步的，步骤S6中剪应力大小数据的计算方法为：

质量为m的质量块放置在待测试件中心，质量块与待测试件的接触面的面积为A，待测试件的倾斜角度为θ_i，i为倾斜角度的编号；每个倾斜角度对应的剪应力τ(θ_i)大小为：

τ(θ_i)＝mgsin(θ_i)/A

其中，g为当地重力加速度。

进一步的，步骤S5中剪应变数据γ_τ(θ_i)的计算方式为：

γ_τ(θ_i)＝arctan(D_τ(θ_i)2×(L/N)/h)

其中，D_τ(θ_i)2为第三位移数据，h为待测试件表面剪应力敏感膜的厚度。

进一步的，所述剪应变数据和其对应的所述剪应力大小数据通过以下函数关系进行拟合：

τ(θ_i)＝G×γ_τ(θ_i)

其中，G表示待测表面剪应力敏感膜的剪切模量，τ(θ_i)为倾斜角度θ_i对应的剪应力大小数据，γ_τ(θ_i)为倾斜角度θ_i对应的剪应变数据。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明方法可操作性强，无需夹持待测表面剪应力敏感膜，不产生夹持形变，且消除了较软弹性体在自身重力作用下的形变影响以及测量装置内部部件可能存在的刚性位移的影响，能够有效减小测量误差，更准确地得到表面剪应力敏感膜的剪切模量。本方法适合推广用于较软弹性体低剪切模量的精确测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法的原理示意图；

图2为一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的装置结构示意图；

图3为采用本方法拟合得到的拟合直线示意图；

其中，1-水平台；2-倾斜装置模块；2-1-倾斜角度调整旋钮；3-支杆；4-试件平台；5-试件衬底；6-待测表面剪应力敏感膜；7-质量块；8-数据采集处理模块；9-倾角传感模块；10-直角支架；11-光学平板；12-光源模块；12-1-光源亮度调整旋钮；13-二维位移平台；14-转接板；15-高分辨率相机；16-光学镜头。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

请参考图1，图1为一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法的原理示意图，图1中d为敏感膜受力后表面标记粒子在剪切方向的位移，γ为敏感膜受力后的剪应变，主要包括以下步骤：

S1：标定测量装置每像素对应的长度；

S2：利用测量装置测量待测表面剪应力敏感膜试件倾斜时在自身重力剪切方向分量作用下的表面标记粒子在倾斜方向的位移；

S3：利用测量装置测量待测表面剪应力敏感膜试件施加外部剪应力作用下的表面标记粒子在倾斜方向的位移及相应的剪应变；

S4：根据施加外部剪应力-剪应变数据关系拟合得到待测表面剪应力敏感膜的剪切模量。

在步骤S1中，测量装置主要包括水平台、倾斜装置模块、试件衬底、试件平台、高分辨率相机、光源模块、质量块、倾角传感模块和数据采集处理模块等。标定测量装置每像素对应的长度时，调整光源模块亮度和方向、高分辨相机的位置、光学镜头的焦距、高分辨率相机的曝光时间和增益等参数，高分辨相机可对试件表面和试件边缘参考区的标记粒子清晰成像，标定板表面与待测试件表面齐平，均在相机视野中。拍下此时图像后，选定图像标定板上一段较长距离线段L，通过图像软件得到线段长度所占像素数N，得到测量装置每像素对应的长度为L/N，标定完成后，测量装置各模块的上述状态在随后的步骤中均保持不变。

在步骤S2中，待测试件为固化于试件衬底形状规则的凹槽内的表面剪应力敏感膜，膜厚h与凹槽深度一致，测量待测表面剪应力敏感膜试件倾斜时在自身重力剪切方向分量作用下的剪应变的步骤包括：

S2-1：在完成S1后，待测表面剪应力敏感膜水平固定在试件平台上，倾角传感模块此时显示的角度为0°，高分辨相机对试件表面和试件边缘参考区的标记粒子清晰成像，拍摄并保存此时的粒子图像；

S2-2：倾斜装置模块平稳地倾斜一定角度，使待测试件、高分辨率相机、光源模块和倾角传感模块等整体沿同一方向平稳地倾斜一定角度后，数据采集处理模块记录此时倾角传感模块的角度值θ，拍摄并保存此时的粒子图像；

S2-3：重复S2-2步骤若干次，倾斜装置模块的倾斜角度依次增大，达到或接近倾斜装置模块的倾斜角度极限后，再依次减小，直到倾斜角度回到0°，数据采集处理模块记录每次改变倾角后倾角传感模块的角度值θ_i，拍摄并保存对应角度的粒子图像；

S2-4：数据采集处理模块对每个角度θ_i的粒子图像与0°时的粒子图像进行互相关处理，得到每个角度的粒子图像相对0°的粒子图像的位移分布，试件边缘参考区为刚性体，其上标记粒子的平均位移D_r(θ_i)1为倾斜时相机相对试件的刚性位移，表面剪应力敏感膜表面的标记粒子平均位移为D’_g(θ_i)1，消除测量装置内部部件可能存在的刚性位移影响，则表面剪应力敏感膜在自身重力剪切方向分量作用下的表面标记粒子产生的真实的沿倾斜方向的平均位移D_g(θ_i)1为：

D_g(θ_i)1＝D’_g(θ_i)1-D_r(θ_i)1 (1)

其中，互相关算法的原理是特征峰匹配，有可能会出现不合理的数据，因此所有平均位移的计算首先要去除不合理的数据；其次表面剪应力敏感膜靠近边缘处还受到衬底边缘的拉力影响，敏感膜边缘受力更复杂，无法体现所受外部剪应力与剪应变的关系，故D’_g(θ_i)1和D_g(θ_i)1应取敏感膜中心区域标记粒子的位移数据作平均。

在步骤S3中，外部剪应力通过一块质量均匀、透明度高、形状规则和表面平滑的质量块来提供。测量待测表面剪应力敏感膜试件施加外部剪应力作用下的表面标记粒子在倾斜方向的位移及相应的剪应变的步骤：

S3-1：用天平称量质量块质量m，用游标卡尺测量质量块尺寸，计算得到其最大面的面积A，将质量块轻放于待测表面剪应力敏感膜中心，质量块最大面为接触面，两者接触面无间隙，质量块边缘与表面剪应力敏感膜边缘的间距≥10mm；

S3-2：倾角传感模块此时显示的角度为0°，高分辨相机透过透明质量块对试件表面的标记粒子以及试件边缘参考区的标记粒子清晰成像，拍摄并保存此时的粒子图像；

S3-3：倾斜装置模块平稳地倾斜一定角度，使待测试件、质量块、高分辨率相机、光源模块和倾角传感模块等整体沿同一方向平稳地倾斜一定角度，倾斜时，质量块相对表面剪应力敏感膜无滑移，数据采集处理模块记录此时倾角传感模块的角度值θ，拍摄并保存此时的粒子图像，此时施加的外部表面剪应力τ大小为：

τ＝mgsin(θ)/A (2)

其中，m、g、θ和A分别表示质量块的质量、当地重力加速度、倾斜角度和接触面面积；

S3-4：重复S3-3步骤若干次，倾斜装置模块的倾斜角度依次增大，达到或接近倾斜装置模块的倾斜角度极限后，再依次减小，直到倾斜角度回到0°，每次倾斜的角度与S2-3保持一致，数据采集处理模块记录每次改变倾角后倾角传感模块的角度值θ_i，拍摄并保存对应角度的粒子图像，每个角度状态下施加的外部表面剪应力τ(θ_i)大小为：

τ(θ_i)＝mgsin(θ_i)/A (3)

S3-5：数据采集处理模块对每个角度θ_i的粒子图像与0°时的粒子图像进行互相关处理，得到每个角度的粒子图像相对0°的粒子图像的位移分布，试件边缘参考区为刚性体，其上标记粒子的平均位移D_r(θ_i)2为倾斜时相机相对试件的刚性位移，表面剪应力敏感膜被质量块覆盖区域的标记粒子位移为D’_τ(θ_i)2，消除测量装置内部部件可能存在的刚性位移的影响，以及表面剪应力敏感膜在自身重力剪切方向分量作用下的表面标记粒子位移的影响，待测表面剪应力敏感膜试件施加外部剪应力作用下的表面标记粒子在倾斜方向的真实位移D_τ(θ_i)2为：

D_τ(θ_i)2＝D’_τ(θ_i)2-D_g(θ_i)1-D_r(θ_i)2 (4)

与S2-4步骤一样，互相关算法的原理是特征峰匹配，有可能会出现不合理的数据，因此所有平均位移的计算首先要去除不合理的数据；其次表面剪应力敏感膜靠近边缘处还受到衬底边缘的拉力影响，敏感膜边缘受力更复杂，无法体现所受外部剪应力与剪应变的关系，故D’_g(θ_i)1和D_g(θ_i)1应取敏感膜中心区域标记粒子的位移数据作平均。

S3-6：通过更换不同质量的质量块或者控制倾斜角度的最大值，控制上述位移D_τ(θ_i)2相对膜厚h的比值D_τ(θ_i)2/h≤0.05，则待测表面剪应力敏感膜试件施加外部剪应力τ(θ_i)作用下产生的真实剪应变γ_τ(θ_i)可用下式计算：

γ_τ(θ_i)＝arctan(D_τ(θ_i)2×(L/N)/h) (5)

其中，L/N是S1步骤中标定的测量装置每像素对应的长度，上述位移通过图像互相关算法计算得到，单位为像素，故此处需转换成长度单位；

在步骤S4中，所述剪应力与剪应变的关系是所研制的表面剪应力敏感膜在剪应变较小条件下(γ≤0.05rad)，两者符合胡克定律：

τ＝G×γ (6)

其中，G表示待测表面剪应力敏感膜的剪切模量。通过前述步骤，得到剪应力τ(θ_i)和相应剪应变γ_τ(θ_i)的数据，两者通过公式(6)函数关系进行拟合，即可得到待测表面剪应力敏感膜的剪切模量G。

本实施例中待测表面剪应力敏感膜为基于不同组分配比制备出不同剪切模量的表面剪应力敏感膜。在其中一个实施例中，该表面剪应力敏感膜的原材料有2种，具体为：道康宁公司提供的DC184硅橡胶基液及其固化剂，两者都是透明液体。两者按照不同的配比混合均匀后，倒入水平放置的试件衬底的底部为纯黑色的凹槽中，凹槽的尺寸为55mm×75mm×5mm，直到倒满为止。放入在真空桶中，抽真空，消泡处理后，再在真空干燥箱中100℃温度下固化半小时，即得到表面剪应力敏感膜，膜表面均匀喷涂标记粒子，标记粒子具体为一种芯径为10μm～14μm，密度为1.1g/cm³的空心玻璃微球。

请参考图2，图2为一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的装置结构示意图，本发明提供了一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的装置，装置包括水平台1、倾斜装置模块2、试件衬底5、试件平台4、高分辨率相机15、光源模块12、质量块7、倾角传感模块9和数据采集处理模块8等。

倾斜装置模块安装在水平台上，试件平台安装在倾斜装置模块上，倾斜装置模块用于调整试件平台的倾斜角度，试件衬底、倾角传感模块和图像采集模块均固定在试件平台上，试件衬底用于安装固定待测表面剪应力敏感膜，待测表面剪应力敏感膜表面设有标记粒子，质量块用于放置在待测表面剪应力敏感膜上为待测表面剪应力敏感膜提供剪应力，倾角传感模块用于测量试件平台的倾斜角度数据，图像采集模块用于采集质量块放置在待测表面剪应力敏感膜表面前后的若干张图像获得图像数据，数据采集处理模块用于基于倾斜角度数据和图像数据计算获得待测表面剪应力敏感膜的剪切模量。

制备好的表面剪应力敏感膜待测试件和倾角传感模块9水平固定于试件平台4上，试件正上方一定高度处固定一个高分辨率相机15，侧上方一定高度处固定一个光源模块12；试件平台4通过四根支杆3固定于倾斜装置模块2，倾斜装置模块2固定于水平台1上，能够使试件平台4及固定在试件平台上的试件、质量块7、高分辨率相机15和光源模块12等相对于水平台1同时倾斜同一角度。质量块7轻放于试件中心表面，试件平台4倾斜时，质量块7在倾斜方向的重力分量作用于表面剪应力敏感膜表面，使表面剪应力敏感膜产生剪应变，表面剪应力敏感膜表面的标记粒子发生相应位移；倾角传感模块9能够精确测量试件平台4的倾斜角度；光源模块12能够均匀稳定地照亮标记粒子；高分辨率相机15能够清晰拍摄粒子图像；数据采集处理模块8能够记录质量块质量、表面剪应力敏感膜的膜厚、倾角等数据和对应的粒子图像，并对上述数据和图像按一定程序进行处理得到不同表面剪应力作用下表面剪应力敏感膜的相应剪应变，最后用拟合方法得到表面剪应力敏感膜试件的剪切模量。

其中，本装置中的倾斜装置模块可以为角位台或其他角度可调整机构或设备或装置，角位台可以是电动角位台，也可以是手动角位台，通过转动角位台上的角度调整旋钮来调节角位台的倾斜角度。

高分辨相机可对试件表面和试件边缘参考区的标记粒子清晰成像，标定板表面与待测试件表面齐平，均在相机视野中。拍下此时图像后，选定图像标定板上一段较长距离线段L＝41mm，通过图像软件得到线段长度所占像素数N＝2035pixels，得到测量装置每像素对应的长度为L/N＝20.147μm/pixel。

在实际应用中，用天平称量质量块质量m＝4.20g，用游标卡尺测量质量块尺寸，计算得到其最大面的面积A＝24mm×24mm＝576mm²，将质量块轻放于待测表面剪应力敏感膜中心，质量块最大面为接触面，两者接触面无间隙，质量块边缘与表面剪应力敏感膜边缘的间距最小为15mm左右，大于10mm；

如图3所示，图3为按照本发明方法，测量得到的一块表面剪应力敏感膜试件所受外部剪应力与产生的相应的剪应变的数据，及根据公式(6)两者函数关系拟合得到的拟合直线。通过拟合得到的表面剪应力敏感膜的剪切模量为1131.9Pa，从拟合结果可看出，表面剪应力和剪应变的线性拟合度高达0.9999，两者关系几乎完全符合公式(6)，非线性误差仅为0.0001Pa，这说明本方法的精确度非常高。

本实施例中的测量表面剪应力敏感膜剪切模量方法，测量待测表面剪应力敏感膜试件倾斜时在自身重力剪切方向分量作用下的表面标记粒子在倾斜方向的位移、施加外部剪应力作用下表面剪应力敏感膜表面标记粒子在倾斜方向的位移及相应的剪应变，消除敏感膜自身重力影响和测量装置内部部件可能存在的刚性位移的影响，且无需夹持待测表面剪应力敏感膜，不产生夹持形变，能够得到表面剪应力敏感膜所受表面剪应力及产生相应剪应变的精确数据，再通过两者函数关系得到表面剪应力敏感膜的剪切模量。该方法能够有效减小测量误差，更准确地得到表面剪应力敏感膜的剪切模量，适合推广用于较软弹性体低剪切模量的精确测量。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，待测试件为表面剪应力敏感膜，表面剪应力敏感膜的表面设有标记粒子，所述方法包括：

S1：标定测量装置每像素对应的长度获得标定信息；

S2：基于所述标定信息和所述测量装置，将待测试件按照预设角度序列依次进行多次倾斜，每次均测量获得待测试件在自身重力剪切方向分量作用下的标记粒子在倾斜方向的第一位移数据，累计获得多个第一位移数据，多个第一位移数据与预设角度序列中的倾斜角度一一对应；

S3：基于所述标定信息和所述测量装置，将待测试件按照预设角度序列依次进行多次倾斜，每次均测量获得待测试件在施加外部剪应力和自身重力剪切方向分量共同作用下标记粒子在倾斜方向的第二位移数据，累计获得多个第二位移数据，多个第二位移数据与预设角度序列中的倾斜角度一一对应；

S4：针对预设角度序列中的每个倾斜角度，基于该倾斜角度对应的第二位移数据和第一位移数据，计算获得待测试件在该倾斜角度对应的施加外部剪应力作用下标记粒子在倾斜方向的第三位移数据，累计获得多个第三位移数据；

S5：基于每个第三位移数据和所述标定信息，分别计算获得待测试件倾斜对应角度时在施加外部剪应力作用下产生的剪应变数据，累计获得多个剪应变数据；

S6：分别计算获得在预设角度序列中的每个倾斜角度下施加在待测试件表面的剪应力大小数据，累计获得多个剪应力大小数据，剪应力大小数据与剪应变数据一一对应；

S7：基于多个所述剪应变数据和与其对应的所述剪应力大小数据拟合计算获得表面剪应力敏感膜的剪切模量。

2.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

将标定板表面与待测试件表面齐平；

利用测量装置拍摄标定板图像获得标定图像；

在标定图像中选定线段，线段长度为L，获得线段所占像素数N，得到测量装置每像素对应的长度为L/N。

3.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，步骤S2中第一位移数据的获得方式为：

将待测试件倾斜0度，测量装置拍摄此时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子获得第一粒子图像；

将待测试件倾斜若干个角度，并记录每次倾斜的角度值，测量装置拍摄每次倾斜时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子累计获得若干个第二粒子图像；

基于标定信息、单个第二粒子图像和第一粒子图像获得在单个倾斜角度下待测试件表面粒子的第一位移分布数据和待测试件边缘参考区粒子的第二位移分布数据，累计获得若干个待测试件表面粒子的第一位移分布数据和若干个待测试件边缘参考区粒子的第二位移分布数据，将若干个待测试件边缘参考区粒子的第二位移分布数据分别求平均，每个倾斜角度对应获得一个第一平均位移数据，累计获得若干个第一平均位移数据；

基于单个倾斜角度对应的第一位移分布数据和第一平均位移数据计算获得单个第一位移数据，多个倾斜角度对应累计获得多个倾斜第一位移数据。

4.根据权利要求3中任意一个所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，在进行第一位移数据计算时，选取第一粒子图像中心区域标记粒子的位移数据进行求平均，再减去对应角度下的第一平均位移数据得到第一位移数据。

5.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，步骤S3包括：

将质量块放置在待测试件表面剪应力敏感膜中心区域表面上，两者之间无缝隙；

将待测试件倾斜0度，测量装置拍摄此时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子获得第三粒子图像；

将待测试件倾斜与步骤S2中对应的若干个角度，测量过程中质量块相对试件表面剪应力敏感膜无滑移，测量装置拍摄每次倾斜时待测试件表面和待测试件边缘参考区的标记粒子累计获得若干个第四粒子图像；

基于标定信息、单个第三粒子图像和第四粒子图像获得在单个倾斜角度下待测试件表面粒子的第三位移分布数据和待测试件边缘参考区粒子的第四位移分布数据，累计获得若干个待测试件表面粒子的第三位移分布数据和若干个待测试件边缘参考区粒子的第四位移分布数据，将若干个待测试件边缘参考区粒子的第四位移分布数据分别求平均获得若干个第二平均位移数据；

基于单个倾斜角度下的第三位移分布数据和第二平均位移数据计算获得单个第二位移数据，累计获得多个第二位移数据。

6.根据权利要求5中任意一个所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，在进行第二位移数据计算时，选取第三粒子图像中心区域标记粒子的位移数据进行求平均，再减去对应角度下的第二平均位移数据得到第二位移数据。

7.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，步骤S4中第三位移数据等于第二位移数据减去第一位移数据。

8.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，步骤S5中剪应变数据γ_τ(θ_i)的计算方式为：

γ_τ(θ_i)＝arctan(D_τ(θ_i)2×(L/N)/h)

其中，D_τ(θ_i)2为第三位移数据，h为待测试件表面剪应力敏感膜的厚度。

9.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，步骤S6中剪应力大小数据的计算方法为：

质量为m的质量块放置在待测试件中心，质量块与待测试件的接触面的面积为A，待测试件的倾斜角度为θ_i，i为倾斜角度的编号；每个倾斜角度对应的剪应力τ(θ_i)大小为：

τ(θ_i)＝mgsin(θ_i)/A

其中，g为当地重力加速度。

10.根据权利要求1所述的一种测量表面剪应力敏感膜剪切模量的方法，其特征在于，所述剪应变数据和其对应的所述剪应力大小数据通过以下函数关系进行拟合：

τ(θ_i)＝G×γ_τ(θ_i)

其中，G表示待测表面剪应力敏感膜的剪切模量，τ(θ_i)为倾斜角度θ_i对应的剪应力大小数据，γ_τ(θ_i)为倾斜角度θ_i对应的剪应变数据。