[发明专利]一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法

说明书

技术领域：

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，特别是一种利用双色光干涉和相对光强原理测量机械接触副之间纳米至亚微米量级润滑油膜厚度的方法，适用于测量弹性流体动力润滑、流体动压润滑及其他润滑状态下不同速度、载荷的接触区内的膜厚分布。

背景技术：

在机械运转部件之间形成足够厚度的油膜，将两个表面分割开来，是降低摩擦，避免磨损的重要手段。目前，光干涉法是测量润滑油膜厚度最有效的方法之一，它利用形成的干涉条纹对油膜厚度和形状进行推算。1965年，Cameron等人提出了球-盘接触的测量结构，利用光干涉技术首次观察到带有出口颈缩的经典马蹄形油膜形状，开拓了光弹流(Optical Elastohydrodynamics)研究领域，后经改进，确定了玻璃盘、分光层(Cr膜)、垫层(SiO₂)、润滑油和钢球的光学测量配置，其中分光Cr膜的引入极大提高了干涉条纹的对比度，垫层技术的提出减小了可测膜厚下限。根据使用光源的不同，光干涉法分为单色光干涉法和白光干涉法，单色光干涉法通过干涉条纹级次计数及分析明暗条纹间光强的变化来判断油膜厚度，结合黄平、雒建斌等提出的相对光强法(ROII)和青岛理工大学郭峰提出的MBI测量方案，分辨率为0.85nm，量程达5μm；但在测量中需要从速度为0时连续拍摄照片，从图像历史记录中数出干涉级次，这样不但效率低下，而且在高速动态测量时常会丢失级次，导致膜厚误判；白光干涉法利用干涉图像中色彩坐标的变化推算油膜厚度，无需确定干涉条纹级次；但是随膜厚的增加，形成相长干涉的波长范围增加，干涉条纹的对比度和色彩饱和度衰减严重，对于白光干涉，其最高可测膜厚一般不超过1μm，而且测量的精度依赖于严格的标定过程，标定过程的很多因素，如静态标定和动态测量中接触表面的曲率不同等将会引起测量的误差。为了在保证测量精度条件下提高可测最大油膜厚度，研究人员也采用双色或三色光进行测量，实际是单色光干涉和白光干涉的折衷，Lord等提出了基于三色光干涉的伪相步进测量方法，但由于技术复杂，并没有得到推广；青岛理工大学郭峰、赵国垒在其论文《油膜厚度测量的双色光干涉光强调制方法》中提出G-R双色光强调制技术，尝试用一张图像信息处理膜厚，避免单色光对历史图像级次的依赖，但仅利用了一个调制波拍周期，量程仅为1μm，不能满足高膜厚的测量需求，更关键的是双光束理论计算的调制曲线的极值点和实际测量中极值点大小偏差较大，导致该方法在实际测量中无法应用。因此，探索一种大量程、高精度、方便可行的方法对纳米/亚微米润滑油薄膜厚度进行测量是很有必要的。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有测量方法中单色光繁琐的干涉级次计数和其他干涉技术量程小的缺点，寻求设计提供一种双色光干涉测量润滑油膜厚度的方法，能将光学量程扩展到4μm，可通过一幅双色干涉图像准确判断出固定点的干涉级次，然后再利用单色红光光强分布按照相对光强法实现接触副间变载荷或变速度工况下动态纳米/亚微米润滑油膜厚度的高效测量。

为了实现上述目的，本发明采用双色光油膜润滑试验台实现润滑油膜厚度的测量，双色光油膜润滑试验台上设置有实时捕获钢球和玻璃盘接触副间的油膜干涉图像的3CCD彩色相机，经过图像卡传输给计算机显示和存储，其具体测量步骤包括：

(1)、计算钢球和玻璃盘之间润滑油膜厚度从1nm到4500nm对应的红绿双色光干涉三刺激值，即油膜干涉系统红绿RG相对光强分布；利用颜色相加原理和颜色复现方程式，对光谱敏感特性分别为f_R(λ)、f_G(λ)、f_B(λ)的3CCD彩色相机的3CCD(RGB)彩色相机获得的颜色三刺激值为