一种实验测量装置、实验设备及实验测量方法

摘要

本发明公开了一种实验测量装置、实验设备及实验测量方法，所述实验测量装置包括：固定部，开设有安装槽，安装槽的槽底设置有第一通孔；第一施力件，穿设于第一通孔内，且第一施力件的第一端朝向远离安装槽的方向延伸；压力传感器，压力传感器的第一表面与第一施力件的第一端抵接，压力传感器的第二表面与加载杆抵接，所述加载杆外部套设有约束管；第二施力件，设置在约束管远离所述压力传感器的一端，且朝向约束管内部延伸；在约束管内部，加载杆与第二施力件之间具有容置空间。本发明的实施例，通过检测实验部件之间的粗糙表面与施加的压力的关联关系，精确的测量实验部件间的粗糙表面的接触面积以及接触间隙随压力变化的规律。

说明书

技术领域

本发明涉及机械工程领域，尤其涉及一种实验测量装置、实验设备及实验测量方法。

背景技术

粗糙表面的接触测量是困扰接触力学、摩擦、磨损、润滑、密封和表面涂层等研究和应用的一大难题。现有的接触力学实验测量方法都存在较大的局限性：非光学的测量方法(热阻、电阻、超声等)只能间接地对实际接触面积进行评估，其测量结果的精度较低且无法测量接触间隙；光学测量方法的精度较高且部分方法还能够测量接触间隙，但是无法测量两个非透明表面间的接触行为，这无法满足实际粗糙表面的接触测量需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实验测量装置、实验设备及实验测量方法，解决了现有的测量方式无法满足测量需求的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种实验测量装置，包括：

固定部，开设有安装槽，所述安装槽的槽底设置有第一通孔；

第一施力件，穿设于所述第一通孔内，且所述第一施力件的第一端朝向远离所述安装槽的方向延伸；

压力传感器，所述压力传感器的第一表面与所述第一施力件的第一端抵接，所述压力传感器的第二表面与加载杆抵接，所述加载杆外部套设有约束管；

第二施力件，设置在所述约束管远离所述压力传感器的一端，且朝向所述约束管内部延伸；

其中，在所述约束管内部，所述加载杆与所述第二施力件之间具有容置空间。

可选地，所述固定部包括：底座以及与所述底座固定连接的横梁；

所述底座设有第二通孔；

所述横梁开设有第一凹槽，所述第一凹槽的开口朝向所述底座；

所述第二通孔与所述第一凹槽连通形成所述安装槽。

可选地，在所述容置空间内装设实验部件的情况下，所述加载杆与所述实验部件的一端抵接，且所述第二施力件与所述实验部件的另一端抵接。

可选地，所述加载杆包括：承力部以及与所述承力部连接的杆部；

所述承力部与所述压力传感器的第二表面接触连接，所述杆部与所述第一施力件位于同一轴线。

可选地，所述承力部朝向所述压力传感器的一侧端面的面积，与所述压力传感器沿所述轴线垂直方向的横截面的面积相同。

可选地，所述压力传感器与所述固定部固定连接。

可选地，所述约束管与所述固定部固定连接；

所述约束管套设所述第一施力件的第一端、所述压力传感器以及所述加载杆。

依据本发明的另一个方面，提供了一种实验设备，包括上述的实验测量装置，所述实验设备还包括：

载物台，所述实验测量装置的固定部安装在所述载物台；

射线源和射线探测器，所述射线源发出的射线穿过所述容置空间内的实验部件传输至所述射线探测器；

控制器，分别与所述载物台、所述射线源以及所述射线探测器连接；

其中，所述控制器控制所述射线源发出射线，所述射线探测器接收并测量所述射线，所述控制器获取所述射线探测器的测量数据。

可选地，所述实验部件包括第一部件和第二部件；

在将所述实验部件装配至所述实验测量装置的容置空间时，所述第一部件的粗糙表面与所述的第二部件的粗糙表面接触。

依据本发明的另一个方面，提供了一种实验测量方法，应用于上述的实验设备，包括：

在实验测量装置的容置空间内装设实验部件，且第一施力件对压力传感器施加压力的情况下，控制射线源发出射线；

获取射线探测器检测的所述射线的测量数据；

根据所述测量数据获得所述实验部件的测量结果。

可选地，所述第一施力件对所述压力传感器施加的压力呈线性增加。

可选地，所述控制射线源发出射线之后，还包括：

控制载物台每间隔预设时间旋转预设角度；

所述获取射线探测器检测的所述射线的测量数据，包括：

获取所述载物台旋转至不同角度时所述射线探测器的测量数据。

可选地，根据所述测量数据获得所述实验部件的测量结果，包括：

根据所述测量数据生成所述实验部件在不同压力下的三维模型；

根据所述三维模型进行数据处理，获得所述实验部件与压力变化的关联关系；

其中，所述实验部件与压力变化的关联关系为：所述实验部件中的第一部件和第二部件的粗糙表面之间的接触面积以及接触间隙，随所述压力变化的演变规律。

本发明的实施例的有益效果是：

本发明的实施例，实验部件装配在约束管的容置空间内，通过第二施力件可以调节实验部件的位置，通过第一施力件施加压力，压力传感器通过加载杆将压力传递至实验部件，通过检测实验部件之间的粗糙表面与施加的压力的关联关系，精确的测量实验部件间的粗糙表面的接触面积以及接触间隙随压力变化的规律。

附图说明

图1表示本发明实施例的实验测量装置的结构示意图；

图2表示本发明实施例的实验设备的结构示意图；

图3表示本发明的实验测量方法的流程示意图。

其中图中：1、固定部，2、第一施力件，3、压力传感器，4、加载杆，5、约束管，6、第二施力件，7、载物台，8、射线源，9、射线探测器，10、实验部件，11、安装槽，12、底座，13、横梁，14、控制器，101、第一部件，102、第二部件，100、实验测量装置。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种实验测量装置，包括：

固定部1，开设有安装槽11，所述安装槽11的槽底设置有第一通孔；

第一施力件2，穿设于所述第一通孔内，且所述第一施力件2的第一端朝向远离所述安装槽11的方向延伸；

压力传感器3，所述压力传感器3的第一表面与所述第一施力件2的第一端抵接，所述压力传感器3的第二表面与加载杆4抵接，所述加载杆4外部套设有约束管5；

第二施力件6，设置在所述约束管5远离所述压力传感器3的一端，且朝向所述约束管5内部延伸；

其中，在所述约束管5内部，所述加载杆4与所述第二施力件6之间具有容置空间。

该实施例中，所述实验测量装置用于在进行粗糙表面接触行为测量时，对实验部件10进行固定，所述实验部件10安装在所述约束管5的容置空间内。其中，所述固定部1用于连接固定和约束所有零件，在进行实验测量时，所述固定部1被固定在实验设备的载物台上；如图1所示，在所述固定部1的底端开设有卡扣朝下的安装槽11，所述安装槽11的槽底设置有所述第一通孔，所述第一通孔连通所述槽底和所述固定部1的上表面；在所述第一通孔内，由下至上穿设所述第一施力件2，即所述第一施力件2的第一端由所述第一通孔延伸出；所述第一施力件2的第一端由所述第一通孔内延伸出后与压力传感器3的第一表面抵接，所述第一施力件2用于向所述压力传感器3施加压力；所述压力传感器3与所述第一表面相对的第二表面与加载杆4抵接，所述压力传感器3将受到的力通过所述加载杆4传递至所述容置空间内的实验部件10，通过检测所述实验部件10的粗糙表面与施加的压力的关联关系，精确的测量实验部件间的粗糙表面的接触面积以及接触间隙随压力变化的规律。

在所述加载杆4的外部套设有约束管5，所述约束管5用于约束所述加载杆4和所述实验部件，在所述约束管5远离所述加载杆4的一端，设置有第二施力件6，所述第二施力件6由所述约束管5的一端伸入，与实验部件10抵接；所述实验部件10装配在所述加载杆4与所述第二施力件6之间，且所述实验部件10的两端分别与所述加载杆4和所述第二施力件6抵接。

在实验过程中，通过所述第一施力件2对压力传感器3的第一表面施加压力载荷，加载杆4位于所述压力传感器3的第二表面，压力传感器3将受到的压力载荷传通过所述加载杆4传递至实验部件10，为所述实验部件10施加接触压力载荷。

如图1所示，所述实验部件10包括第一部件101和第二部件102，所述实验部件的材料可以是非透明的，例如金属材料。在实验过程中，所述第一部件101的粗糙表面和所述第二部件102的粗糙表面相对设置，通过所述第二施力件6可以调节实验部件的位置，通过所述第一施力件2施加压力，能够实现在不同压力下所述第一部件101和所述第二部件102的粗糙表面的实际接触面积和接触间隙的精确测量，得到接触面积和接触间隙随接触压力的演变规律，为摩擦、磨损、润滑、密封等领域的研究和实际生产中的粗糙表面接触行为实验检测提供了更加有效且精确的测量装置。

其中，如图1所示，所述第一施力件2可以为加载螺栓，所述加载螺栓的螺杆穿过所述第一通孔并由所述第一通孔内延伸出，可以通过调节所述加载螺栓实现对所述压力传感器3施加压力的调节。所述第二施力件6可以为调节螺栓，所述调节螺栓的螺杆由所述约束管5的一端伸入管内，用于与实验部件10抵接，通过调节所述调节螺栓可以实现对于实验部件的设置位置的上下调节。需要说明的是，所述第一施力件2和所述第二施力件6包括但不限于上述的螺栓结构，还可以根据需求设置为其他可实现调节的加载部件。

具体地，所述固定部1可以包括：底座12以及与所述底座12固定连接的横梁13；所述底座12设有第二通孔；所述横梁13开设有第一凹槽，所述第一凹槽的开口朝向所述底座12；所述第二通孔与所述第一凹槽连通形成所述安装槽11。

所述底座12用于固定其他部件，且在实验中被固定在实验设备的载物台上；所述横梁13装配在所述底座12上，在所述横梁13上开设有第一凹槽，所述第一凹槽和所述底座12上的第二通孔形成为所述安装槽11，所述第一施力件2装配在所述第一凹槽的槽底的第一通孔内。

如图1所示，在所述容置空间内装设实验部件10的情况下，所述加载杆4与所述实验部件10的一端抵接，且所述第二施力件6与所述实验部件10的另一端抵接。所述实验部件10装配在所述加载杆4和所述第二施力件6之间的容置空间内，且所述实验部件10的两端分别与所述加载杆4和所述第二施力件6抵接，这样位于所述实验部件10上方的所述第二施力件6能够调整所述实验部件10的上下位置，位于所述实验部件10下方的所述加载杆4能够将压力传感器3受到的压力传递至所述实验部件10，实现所述实验部件10的夹紧。所述实验部件10中的第一部件101和第二部件102的粗糙表面相对设置，实现两个部件间的粗糙表面的接触面积以及接触间隙随压力变化规律的测量。

可选地，所述加载杆4包括：承力部以及与所述承力部连接的杆部；所述承力部与所述压力传感器3的第二表面接触连接，所述杆部与所述第一施力件2位于同一轴线。

如图1所示，所述加载杆4与所述压力传感器3抵接的部分为与所述压力传感器3形状相同或相似的承力部，所述承力部朝向所述压力传感器3的一侧端面的面积，与所述压力传感器3沿所述轴线垂直方向的横截面的面积相同，这样，所述承力部的受力面积能够达到最大，所述压力传感器能够3最大限度的将来自于所述第一施力件2的压力传递至所述承力部，所述承力部将所述压力通过所述杆部传递至所述实验部件，能够减少压力在传递过程中的损耗，提高测量精度。

所述压力传感器3与所述固定部1固定连接。与所述压力传感器3的第一表面抵接的所述第一施力件2为杆状，为了保证所述压力传感器3的安装牢固性，将所述压力传感器3与所述固定部1固定连接。

所述约束管5与所述固定部1固定连接；所述约束管5套设所述第一施力件2的第一端、所述压力传感器3以及所述加载杆4。其中，所述约束管5可以由低密度高强度的材料制备而成，例如高强度塑料、高强度铝合金等，同时被设计成细长状，以尽可能减少对测量精度的影响；所述约束管5被装配于所述固定部1，用于约束所述加载杆4和实验样件。

本申请的实施例，实验部件装配在约束管的容置空间内，通过第二施力件可以调节实验部件的位置，通过第一施力件施加压力，压力传感器通过加载杆将压力传递至实验部件，通过检测实验部件之间的粗糙表面与施加的压力的关联关系，精确的测量实验部件间的粗糙表面的接触面积以及接触间隙随压力变化的规律。

如图2所示，本申请实施例还提供一种实验设备，包括上述的实验测量装置100，所述实验设备还包括：

载物台7，所述实验测量装置100的固定部1安装在所述载物台7；

射线源8和射线探测器9，所述射线源8发出的射线穿过所述容置空间内的实验部件10传输至所述射线探测器9；

控制器14，分别与所述载物台7、所述射线源8以及所述射线探测器9连接；

其中，所述控制器14控制所述射线源8发出射线，所述射线探测器9接收并测量所述射线，所述控制器14获取所述射线探测器9的测量数据。

所述实验设备可以为x射线计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)设备，所述控制器14可以为计算机，则所述射线源发出x射线，本申请实施例利用x射线CT检测技术对安装在所述实验测量装置100内的实验部件10进行接触力学实验测量。其中，x射线CT设备的检测精度受所述实验部件10的密度和其距离射线源8的距离限制，被检测的所述实验部件10的密度越小，且其距离射线源8的距离越近，x射线穿透所述实验部件10后的能量衰减就越小，检测精度越高；在本申请实施例中，为了给所述实验部件所组成的接触对施加足够的接触压力载荷，将所述实验部件装配在如图1所示的实验测量装置中，在尽量不对测量精度造成过大影响的前提下，为被测量的实验部件之间的粗糙表面提供足够高的接触压力载荷。

所述实验部件包括第一部件101和第二部件102；在将所述实验部件10装配至所述实验测量装置100的容置空间时，所述第一部件101的粗糙表面与所述的第二部件102的粗糙表面接触。

在测量所述第一部件101和所述第二部件102的粗糙表面的接触面积和接触间隙与压力之间的演变规律时，以所述实验设备为x射线CT设备为例，实验方法的主要步骤如下：

步骤一：卸下所述实验测量装置100的调节螺栓(即所述第二施力件6)，依次将待检测的第一部件101和第二部件102从实验工装上面装入约束管5，装入样品时，注意将所述第一部件101的被测粗糙面向上，所述第二部件102的被测粗糙面向下，两个粗糙表面共同组成被测接触对；

步骤二：装上所述调节螺栓(即所述第二施力件6)，并将被测接触对调节到实验测量区域；

步骤三：将装配有所述实验部件10的所述实验测量装置100固定装配到x射线CT设备的载物台7上，并规定i＝0；

步骤四：通过拧紧加载螺栓(即所述第一施力件2)对接触界面施加压力载荷F

步骤五：通过操作所述控制器14控制射线源8发出x射线，射线穿透被测样件之后被所述射线探测器9测量并记录下来；

步骤六：通过操作所述控制器14控制载物台7以预先设定的角度旋转到一个新的位置；

步骤七：重复步骤五和步骤六，直到所述载物台7旋转一周；

步骤八：通过所述控制器14对所有角度位置的测量信号进行处理，精确地重建出所述实验部件10在压力载荷F

步骤九：重复步骤五～步骤八，直到测得所述实验部件10在所有压力载荷作用下的三维模型；

步骤十：通过数据处理，得到两个非透明粗糙表面之间的接触面积和接触间隙随接触压力的演变规律。

该实施例的所述实验设备，可以为x射线CT设备，以x射线计算机断层扫描技术为基础，能够实现两个表面之间的接触过程的观测，利用该实验设备，可以测量并重构处于接触状态的粗糙表面三维形貌，准确、清晰地观测两个界面之间的接触面积和接触间隙的大小和分布。能够准确地测量出两个非透明粗糙表面之间的接触面积和接触间隙随接触压力的演变规律，为摩擦、磨损、润滑、密封等领域的科学研究和实际生产中的粗糙表面接触行为实验检测提供了更加有效的方法。

如图3所示，本申请实施例还提供一种实验测量方法，应用于上述的实验设备，包括：

步骤301、在实验测量装置的容置空间内装设实验部件，且第一施力件对压力传感器施加压力的情况下，控制射线源发出射线。

所述实验部件包括第一部件和第二部件，在装设所述实验部件时，需要卸下所述实验测量装置的所述第二施力件，依次将待检测的所述第一部件和所述第二部件由所述实验测量装置的约束管的端部装入，其中，所述第一部件的被测粗糙面向上，所述第二部件的被测粗糙面向下，两个粗糙表面共同组成被测接触对；通过所述射线源发出射线的第二施力件调节所述实验部件的位置至实验测量区域。在所述实验部件装配完成后，将所述实验测量装置装配到所述实验设备的载物台，利用所述实验测量装置的第一施力件对压力传感器施加压力，则所述实验部件受到加载杆传递的压力，控制所述射线源发出射线。

步骤302、获取射线探测器检测的所述射线的测量数据；

所述射线源发出的射线穿透所述实验部件后被所述射线探测器测量并记录，得到测量数据。

步骤303、根据所述测量数据获得所述实验部件的测量结果。

所述控制器对所述测量数据进行处理，得到两个非透明粗糙表面之间的接触面积和接触间隙随接触压力的演变规律。

其中，所述第一施力件对所述压力传感器施加的压力呈线性增加。例如：通过第一施力件对所述实验部件施加的压力为：Fi+1，F1

通过对不同压力下的第一部件和第二部件的粗糙表面的接触面积和接触间隙进行测量，能够得到所述接触面积和接触间隙随接触压力的演变规律。

可选地，所述控制射线源发出射线之后，还包括：控制载物台每间隔预设时间旋转预设角度；所述获取射线探测器检测的所述射线的测量数据，包括：获取所述载物台旋转至不同角度时所述射线探测器的测量数据。

所述预设角度根据需求设置，所述预设角度越小，测量的次数越多，则得到的测量结果的精确度越高。所述载物台每旋转一次进行一次测量，所述射线探测器得到一个测量数据，直至所述载物台旋转一周。

具体地，根据所述测量数据获得所述实验部件的测量结果，包括：根据所述测量数据生成所述实验部件在不同压力下的三维模型；根据所述三维模型进行数据处理，获得所述实验部件与压力变化的关联关系；其中，所述实验部件与压力变化的关联关系为：所述实验部件中的第一部件和第二部件的粗糙表面之间的接触面积以及接触间隙，随所述压力变化的演变规律。

在载物台旋转一周后，所述控制器得到多个测量数据，根据所述测量数据对所有角度位置的测量信号进行处理，能够精确地重建出实验部件在压力载荷F

本发明的实施例，能够实现两个表面之间的接触过程的观测，可以测量并重构处于接触状态的粗糙表面三维形貌，准确、清晰地观测两个界面之间的接触面积和接触间隙的大小和分布。能够准确地测量出两个非透明粗糙表面之间的接触面积和接触间隙随接触压力的演变规律，为摩擦、磨损、润滑、密封等领域的科学研究和实际生产中的粗糙表面接触行为实验检测提供了更加有效的方法。

需要说明的是，该方法是应用于上述实验设备的实验测量方法，上述实验设备的所有实现方式均适用于该方法的实施例中，也能达到相同的技术效果。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。