一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备

摘要

本实用新型公开了一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备，包括外部结构框架机构、加载机构、光照机构及数据采集机构；外部结构框架机构包括顶部连接板、中间连接板、底部连接板及结构框架；加载机构包括滑杆、弹簧、水平加载电机、垂直加载液压伺服电机及减速器；光照机构包括钢化玻璃及玻璃夹具；数据采集机构包括三维移动平台、高灵敏度相机、三向力传感器及样品夹具，该设备能够实时观测物体接触过程中的接触界面。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种联动式多功能微纳观接触行为观测设备，具体涉及一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备。

背景技术

目前对于摩擦行为的认识多停留于摩擦力正比于法向载荷，认为两个相互作用面是完全接触，但实际的接触过程是复杂的。尤其当关注尺寸缩小至微米和纳米级别时，传统的摩擦学认知已经无法完美地解决两物体之间的实际接触问题。在微米和纳米级别时，接触表面是粗糙的且表面高度是随机分布的，因此接触过程是一个随机的过程，也是不完全接触的过程。随着加载的不断增大，两物体之间的接触会更加全面。但这个过程中的真实的接触行为是目前常规手段无法测量或者观测的，这主要受限于当两个接触面发生接触时的空间的狭小和光线的不足。因此，常规的仪器和观测手段无法进行安装和测量。但仍有部分方法可以间接对接触行为进行测量：电阻法、中子照射法、光学法。电阻法是通过对接触两个物体进行通电，测试电流变化，通过接触面积、电阻、电流和电压之间的物理关系，间接推算出接触面积的大小。可是该方法由于电热现象，会在微观的接触界面产生热量，致使接触点温度升高，影响接触面积和电阻，致使测量结果不准确。中子照射方法目前技术成本和价格很高，一般机构和单位无法进行制作和购买。但光学法可以直接观测到接触过程，做到实时追踪其接触区域的演变，并且由于光的无体积限制，在原理上是可以对原子级别接触进行观测。

目前现有的技术利用光学手段可以观测和表征裸露在空中的物体表面，并对表面的形貌进行分析，但无法做到对两物体间的接触过程进行观测和表征。中国专利CN2037048886U虽然可以对物体的表面平面度进行测量，但无法做到接触物体接触时的观测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备，该设备能够实时观测物体接触过程中的接触界面。

为达到上述目的，本实用新型所述的基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备包括外部结构框架机构、加载机构、光照机构及数据采集机构；

外部结构框架机构包括顶部连接板、中间连接板、底部连接板及结构框架；加载机构包括滑杆、弹簧、水平加载电机、垂直加载液压伺服电机及减速器；光照机构包括钢化玻璃及玻璃夹具；数据采集机构包括三维移动平台、高灵敏度相机、三向力传感器及样品夹具；

中间连接板设置于结构框架的顶部，顶部连接板位于中间连接板的上方，底部连接板固定于结构框架的底部；

水平加载电机固定于中间连接板上，滑杆的端部通过支座固定于中间连接板上，滑杆上套接有滑块，其中，玻璃夹具固定于滑块上，水平加载电机的输出端与玻璃夹具之间通过弹簧连接；

高灵敏度相机的侧面设置有点光源孔，所述点光源孔内插入有点光源，点光源发出的光线能够通过高灵敏度相机内部的镜面反射，再从镜头垂直照射到样品表面，再反射被高灵敏度相机捕捉，钢化玻璃置于玻璃夹具的内部梯形孔中；高灵敏度相机设置于三维移动平台上；

垂直加载液压伺服电机固定于底部连接板上，三向力传感器固定于垂直加载液压伺服电机的输出轴上，样品夹具与三向力传感器的顶部相连，样品夹持于样品夹具上。

中间连接板与顶部连接板之间通过第一支撑杆相连接。

垂直加载液压伺服电机连接有减速器。

还包括环形光圈；环形光圈沿钢化玻璃圆周缠绕一周。

所述三维移动平台包括相机垂直运动步进电机、相机x方向步进电机、相机x方向运动导轨、相机y方向运动导轨及相机y方向步进电机；

高灵敏度相机与相机z方向运动导轨相连，相机z方向运动导轨固定于相机x方向运动导轨上，相机x方向运动导轨固定于相机y方向运动导轨上，利用相机垂直运动步进电机、相机x方向步进电机及相机y方向步进电机分别与相机z方向运动导轨、相机x方向运动导轨及相机y方向运动导轨相连接。

高灵敏度相机与相机z方向运动导轨通过相机固定夹具相连。

底部连接板与中间连接板之间通过若干第二支撑杆相连接，背部连接板固定于各第二支撑杆上，垂直加载液压伺服电机固定于背部连接板上。

顶部连接板、中间连接板及底部连接板平行设置。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备在具体操作时，采用内抑式全反射方法测量面积，摆脱接触空间及检测设备体积的限制，能够直观精确的观察接触界面的演化，另外，本实用新型采用三维移动平台控制高精度相机运动，不仅可以实现原位捕捉被观察对象的变化，也可以精确的地调整高精度相机的对焦位置，使得成像更清晰，被观测对象的变化更易被捕捉。同时需要说明的是，本实用新型采用联动式多位一体化控制，能够同时控制高精度相机、玻璃夹具、样品不同方向运动，实现跟踪式实时记录观察接触界面演化。

进一步，利用减速器与垂直加载液压伺服电机相配合，可以实现精度为1μm/s的位移速度加载，大幅提高控制精度，实现准静态加载控制，对微观和介观现象的捕捉具有非常大的帮助。

进一步，通过点光源对被测物体表面进行光强补偿并调节补偿强度，使成像更清晰。

附图说明

图1为本实用新型的实体结构三维图；

其中，1为相机垂直运动步进电机、2为相机固定夹具、3为相机x方向步进电机、4为相机x方向运动导轨、5为相机y方向运动导轨、6为相机y方向步进电机、7为高灵敏度相机、8为点光源孔、9为顶部连接板、10为钢化玻璃、11为玻璃夹具、12为滑杆、13为弹簧、14为水平加载电机、15为中间连接板、16为样品夹具、17为三向力传感器、18为垂直加载液压伺服电机、19为背部连接板、20为减速器、21为底部连接板、22为结构框架、23为第一支撑杆、24为环形光圈、25为相机z方向运动导轨。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本实用新型公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本实用新型公开的概念。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

在附图中示出了根据本实用新型公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本实用新型所述的基于光学的联动式多功能微纳观接触行为观测设备包括外部结构框架机构、加载机构、光照机构及数据采集机构；

外部结构框架机构包括顶部连接板9、中间连接板15、背部连接板19、底部连接板21、结构框架22及第一支撑杆23，中间连接板15设置于结构框架22的顶部，顶部连接板9位于中间连接板15的上方，且中间连接板15与顶部连接板9之间通过第一支撑杆23相连接，底部连接板21固定于结构框架22的底部；

垂直加载液压伺服电机18固定于底部连接板21上，其中，底部连接板21与中间连接板15之间通过若干第二支撑杆相连接，背部连接板19固定于各第二支撑杆上，垂直加载液压伺服电机18固定于背部连接板19上；

加载机构包括滑杆12、弹簧13、水平加载电机14、垂直加载液压伺服电机18及减速器20，水平加载电机14通过螺栓固定于中间连接板15上，滑杆12的端部通过支座固定于中间连接板15上，滑杆12上套接有滑块，其中，玻璃夹具11固定于滑块上，垂直加载液压伺服电机18与减速器20相连接，将加载速度控制在1μm/s，最大加载速度为80μm/s，控制精度得到大幅提升。水平加载电机14的加载速度最低也可以达到5um/s精度，实现观察摩擦等横向运动现象，水平加载电机14的输出端与玻璃夹具11之间通过弹簧13连接，通过弹簧13将水平加载电机14输出轴的运动更缓和的传递到玻璃夹具11上，以便于更细致观察横向摩擦行为的演变，通过滑杆12保证玻璃夹具11能够平稳的在水平加载电机14的驱动下进行水平运动。

光照机构包括点光源孔8、钢化玻璃10、玻璃夹具11及环形光圈24，其中，高灵敏度相机7的侧面设置有点光源孔8，所述点光源孔8内插入有点光源，点光源发出的光线能够通过高灵敏度相机7内部的镜面反射，再从镜头垂直照射到样品表面，以获得光照补偿，增加相机的识别效果。环形光圈24及钢化玻璃10置于玻璃夹具11的内部梯形孔中，并利用螺栓进行夹紧。环形光圈24沿钢化玻璃10圆周缠绕一周，将光线射入钢化玻璃10的内部，使入射光线产生全反射效果，当有物体与钢化玻璃10表面进行接触时，则会发生漫反射，被高灵敏度相机7进行捕捉，即点光源发出的光线垂直照射到样品表面，再反射被高灵敏度相机7捕捉。

数据采集机构包括相机垂直运动步进电机1、相机固定夹具2、相机x方向步进电机3、相机x方向运动导轨4、相机y方向运动导轨5、相机y方向步进电机6、高灵敏度相机7、三向力传感器17及样品夹具16；

高灵敏度相机7与相机z方向运动导轨25通过相机固定夹具2及螺栓相连，相机z方向运动导轨25固定于相机x方向运动导轨4上，相机x方向运动导轨4固定于相机y方向运动导轨5上，利用相机垂直运动步进电机1、相机x方向步进电机3及相机y方向步进电机6分别与相机z方向运动导轨25、相机x方向运动导轨4及相机y方向运动导轨5相连接，以控制相机在上、下、左、右、前及后六个方向运动，实现跟踪式实时观察记录接触界面的变化情况。三向力传感器17通过螺栓固定于垂直加载液压伺服电机18的输出轴上，样品夹具16通过螺栓与三向力传感器17顶部相连，样品夹持于样品夹具16上，样品向上运动与钢化玻璃表面发生接触时，或者钢化玻璃10与样品发生接触摩擦时，三向力传感器17就会产生力的信号，用于实时记录载荷变化。

需要说明的是，本实用新型可以通过电脑指令进行联合式运动，实现多种工况的摩擦状态，既方便了实验操作人员的操作，同时也提高了控制的精度，减少了实验过程中的操作不当引起的意外情况。