一種微小力值的測量方法技術

本發明專利技術提出了一種微小力值的測量方法，屬于微小力標定與測量技術領域。該方法具體涉及光源、容器、托盤、透明液體和攝像機；透明液體可采用水、酒精、甘油或其它透光性比較好的液體。其具體步驟是將托盤置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，使液體表面形成凹液面；在液面上部放置光源，光線在托盤邊緣的凹液面處發生折射后進入液體，在光線的作用下，托盤會在容器底部形成陰影；給托盤施加微小法向力，陰影部分面積會變化，使用攝像機拍攝陰影面積的變化，通過圖像分析技術計算出陰影面積的變化，根據標定關系即測得所施加力的微小力值。本方法操作簡單、易于實現，可以實現對微小力的高分辨率、高速的測量。

【技術實現步驟摘要】

:本專利技術屬于微小力標定與測量
，具體涉及。技術背景:微小力測試測量技術被廣泛地應用于生物醫學、納米材料和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微電子機械系統)等多個領域。比如在MEMS器件的應用中，隨著器件尺寸的減小，表面效應顯著，表面力對器件之間的相對運動影響明顯，這就需要對微弱的表面力進行表征。另外，摩擦作用廣泛存在于宏觀和微觀尺度的相互接觸且有相對運動或相對運動趨勢的物體之間，微納尺度的摩擦行為的表征對于揭示摩擦機理意義重大，而這也需要對微小的摩擦力和法向力進行測量。中國專利(公開號為CN103389174B)公布了一項名為微力測量裝置的技術專利技術，本專利技術的微力測量裝置包括不等臂天平、力值復現裝置、微位移測量裝置和計算機控制系統；不等臂天平的長臂端部設置有托盤，短臂端部設置有邊刀結構，邊刀結構通過力值復現裝置與微位移測量裝置連接;微位移測量裝置的輸出端通過連接套與絕緣桿連接，絕緣桿與力值復現裝置的內電極上端蓋的螺紋孔連接。該專利技術通過測量電容器兩極間的電壓來獲得施加在托盤上的力值。從描述可知，該方法及裝置比較復雜，而且調節兩極間的電壓會降低測量的效率。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出，可以滿足高分辨率、高速微小力值的在線測量。本專利技術提出的，具體包括以下步驟:1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會在液體表面形成凹液面；2)液面上部放置光源，光源發出的光線在托盤邊緣的凹液面處發生折射后進入液體，在光線的作用下，托盤會在容器底部形成陰影；3)標定:在托盤上放置標準砝碼，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機，通過圖像分析技術計算出陰影面積變化，與所加砝碼重量進行擬合:y = ax+b，其中y表示陰影部分增加的面積，X表示通過標準砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機高度有關的參數；4)測量:對托盤施加未知法向力XQ，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機處理，將面積的變化值yo代入步驟3)中標定的關系式中，即xo=( yo-b) /a，得到所施加力的值xo。本專利技術具有以下優點及突出性的技術效果:①本專利技術通過計算陰影面積變化測量微小力值的方法，能夠在線實時計算所施加的外力;②本方法的測力分辨率由使用的攝像機的分辨率決定，提高攝像機的分辨率可以將測力分辨率提高至皮牛和納牛量級;③本方法的力值測量速度由攝像機的幀率決定，提高攝像機的幀率可以提高測力的速度;④本方法操作簡單、易于實現，可以實現對微小力的高分辨率、高速的測量。【附圖說明】圖1為本專利技術提供的一種微小力值測量方法所用裝置的結構及原理示意圖。圖2是本專利技術在聚四氟乙烯薄片作為托盤，水作為透明液體，光源為點光源時所施加的法向載荷與陰影面積變化的關系曲線。圖中:1-光源；2-微小法向力F;3-容器;4-托盤;5_是攝像;6_是透明液體;7_凹液面;8-容器底部的陰影。【具體實施方式】下面結合附圖和實施例對本專利技術的具體實施作進一步的說明。圖1為本專利技術提供的一種微小力值測量方法所用裝置的結構及原理示意圖，其具體包括光源1、托盤4、裝有透明液體的容器3和攝像機5，托盤4為圓形、方形、三角形或其它任意形狀的薄片或者細長桿等能穩定地浮在透明液體表面的結構，宜采用疏水材料制作。所述的透明液體可以是水、酒精、甘油或離子液體等透光性良好的液體;攝像機應采用高速攝像機，其具體測量步驟包括:1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會在液體表面形成凹液面；2)液面上部放置光源，光源發出的光線在托盤邊緣的凹液面處發生折射后進入液體，在光線的作用下，托盤會在容器底部形成陰影；3)標定:在托盤上放置標準砝碼，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機，通過圖像分析技術計算出陰影面積變化，與所加砝碼重量進行擬合:y = ax+b，其中y表示陰影部分增加的面積，X表示通過標準砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機高度有關的參數；4)測量:對托盤施加未知法向力xo，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機處理，將面積的變化值yo代入步驟3)中標定的關系式中xo = (yo-b) /a，得到所施加力的值xo。實施例:以直徑為12mm、厚度為0.2mm的聚四氟乙烯薄片作為托盤，水作為透明液體，光源為點光源(水深10mm，光源距離水面500mm，攝像機鏡頭距離容器底部500mm)為例，將托盤4放置于裝有水的容器3中，在重力和表面張力的作用下，托盤4會在水表面形成凹液面;在水面上部放置光源1，光源1發出的光線照向托盤4，并在所形成的的凹液面7處發生折射，在光線的作用下，托盤4會在容器3底部形成陰影8;通過放置標準砝碼對托盤4施加載荷2，容器3底部陰影的8面積會增加，使用攝像機5拍攝陰影的面積的變化，并將圖像傳輸至計算機，用MATLAB軟件計算出容器底部的陰影8的面積變化，與所加砝碼重量關系進行擬合:y =2874.6x+20314，其中y表示陰影部分增加的面積(用像素點pix的數目表示)，x表示通過標準砝碼對托盤4施加的法向力，系數2874.6、20314是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機高度有關的參數，如圖2所示，圖中數據線性度很好；根據圖2中的線性關系:x=(y-20314)/2874.6，當攝像機5可以分辨20500pix的陰影面積變化時(y = 20500)，X = 64.7，S卩可測得大約60nN的法向載荷值。【主權項】1.，所述方法包括以下步驟: 1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會在液體表面形成凹液面； 2)在液面上部放置光源，光源發出的光線會在托盤邊緣的凹液面處發生折射后進入液體，在光線的作用下，托盤會在容器底部形成陰影； 3)標定:在托盤上放置標準砝碼，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機，通過圖像分析技術計算出陰影面積的變化，得到法向載荷與陰影面積變化的標定關系曲線:y = ax+b，其中y表示陰影面積的變化值，X表示通過標準砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機尚度有關的參數； 4)測量:對托盤施加未知法向力xo，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機處理，將陰影面積的變化值yo代入步驟3)中標定的關系中，即xq = (yo-b)/a，測得所施加力的微小力值xo。2.根據權利要求1所述的，其特征在于:所述的透明液體為透光性好的水、酒精、甘油或離子液體。3.根據權利要求1所述的，其特征在于:所述的托盤采用疏水材料做成的薄片，或能夠穩定浮在透明液體表面的細長桿結構。【專利摘要】本專利技術提出了，屬于微小力標定與測量
該方法具體涉及光源、容器、托盤、透明液體和攝像機；透明液體可采用水、酒精、甘油或其它透光性比較好的液體。其具體步驟是本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微小力值的測量方法，所述方法包括以下步驟：1)將托盤放置于裝有透明液體的容器中，在重力和表面張力的作用下，托盤會在液體表面形成凹液面；2)在液面上部放置光源，光源發出的光線會在托盤邊緣的凹液面處發生折射后進入液體，在光線的作用下，托盤會在容器底部形成陰影；3)標定：在托盤上放置標準砝碼，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機，通過圖像分析技術計算出陰影面積的變化，得到法向載荷與陰影面積變化的標定關系曲線：y＝ax+b，其中y表示陰影面積的變化值，x表示通過標準砝碼施加的法向力，a、b是與透明液體折射率、托盤材料及幾何尺寸、光源高度、攝像機高度有關的參數；4)測量：對托盤施加未知法向力x0，容器底部的陰影面積會增加，使用攝像機連續拍攝陰影面積的變化，并將圖像傳輸至計算機處理，將陰影面積的變化值y0代入步驟3)中標定的關系中，即x0＝(y0?b)/a，測得所施加力的微小力值x0。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：田煜，鄭葉龍，魯鴻宇，陶大帥，尹維，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11