CN107830815A - 一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置及检测方法。该检测装置包括样品池、储液池、压力控制器、用于将储液池内液体送入样品池中的微型泵、图像处理计算机、二维显微载物台和三维形貌测量系统；三维形貌测量系统包括光栅相移投影器和CCD传感器；样品池固定在二维显微载物台上，样品池的池口上覆盖待侧的多层复合柔性薄膜，多层复合柔性薄膜与池口周边密封连接，压力控制器与微型泵及样品池连接；光栅相移投影器用于将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，CCD传感器获取多层复合柔性薄膜变形后的正弦栅线投影图像传送到图像处理计算机。本发明能实现全视场大角度地测量多层复合柔性薄膜曲面形变特征。

Description

一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及多层复合柔性可延展传感器检测技术领域，具体是涉及一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置及检测方法。

背景技术

柔性电子技术以其独特的延展性及高效低成本的制造工艺在信息、能源、医疗等领域占据了很大的地位，柔性光电传感器是科学领域研究一大热点，其使用了可延展的金属导线将不同测量单元连接成复杂的网状结构，然而柔性光电传感器并不具备延展性，无法顺应地覆盖任何复杂的曲面，实现任意复杂曲面的集成还需要依靠柔性可延展的多层复合柔性薄膜光电传感器，多层复合柔性薄膜光电传感器阵列是在刚性平面基底上完成加工，通过转印的方法转印到平面柔性基底上，平面柔性基底通过机械变形获得原有曲面形式。多层复合柔性薄膜光电传感器使得不同层的光电传感器互为补充，提高了光电传感器的分辨率。

为实现对多层复合柔性薄膜光电传感器的机械、光学、和电学等性质的评估，需要通过可控的机械形变实验来获得多层复合柔性薄膜传感器整体微观形变。然而目前没有相应的检测手段予以检测多层复合柔性薄膜光电传感器的形变特征。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于光栅移相莫尔条纹技术的多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置及检测方法，其可在无需移动传感器情况下，实现全视场大角度地测量多层复合柔性薄膜曲面形变特征。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置，包括：

样品池、储液池、压力控制器、用于将储液池内液体送入样品池中的微型泵、图像处理计算机、二维显微载物台和三维形貌测量系统；所述三维形貌测量系统包括光栅相移投影器和CCD传感器；所述样品池固定在所述二维显微载物台上，所述样品池的池口上覆盖待侧的多层复合柔性薄膜，所述多层复合柔性薄膜与池口周边密封连接，所述压力控制器与微型泵及样品池连接；所述光栅相移投影器用于将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，所述CCD传感器用于采集多层复合柔性薄膜变形后的正弦栅线投影图像，传送到图像处理计算机。

所述二维显微载物台由受电机驱动的丝杠驱动以实现在直线导轨上二维移动。

所述多层复合柔性薄膜的四周通过圆环状的垫片及螺钉与样品池相固定。

本发明的另一方面，提供了一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置的检测方法，包括步骤：

S1：启动图像处理计算机，开启图像处理软件；

S2：启动微型泵和压力控制器，通过微型泵控制自储液池向样品池注入液体；通过压力控制器控制样品池内液压压强，实现多层复合柔性薄膜处于下凹或上凸状态，同时将多层复合柔性薄膜初始状态下的体积记作0，下凹状态下的体积记为负值，上凸状态下的体积记为正值，且使下凹与上凸两种形变的体积的绝对值相等；

S3：开启光栅相移投影器和CCD传感器，光栅相移投影器将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，控制二维显微载物台移动使多层复合柔性薄膜移动，CCD传感器实时采集多层复合柔性薄膜变形后的正弦栅线投影图像，传送到图像处理计算机，利用图像处理软件分析CCD传感器传送的图像，得到多层复合柔性薄膜上凸和下凹形变后的曲率；

S4：重复步骤S2-S3，通过压力控制器及微型泵改变样品池内液压压强，得到多层复合柔性薄膜在不同液体压强参数条件下的上凸和下凹形变的三维形貌曲率。

本发明通过使用相移投影器将正弦栅线投射到多层复合柔性薄膜形变后的表面,利用CCD传感器获取多层复合柔性薄膜表面形貌和偏离基准面变形，利用图像处理计算机从而可以分析出多层复合柔性薄膜在上凸-下凹形变后图像的不同曲率，并可获得多层复合柔性薄膜的三维形貌和变形。

附图说明

图1是多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置的结构原理示意图；

图2是多层复合柔性薄膜曲面上凸形变图；

图3为是多层复合柔性薄膜曲面下凹形变图；

图中：1-储液池；2-电源；3-光栅相移投影器；4-多层复合柔性薄膜；5-CCD传感器；6-垫片；7-图像处理计算机；8-液体；9-样品池；10-二维显微载物台；11-微型泵；12-压力控制器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-3所示，一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置，包括：

样品池9、储液池1、压力控制器12、用于将储液池1内液体送入样品池9中的微型泵11、图像处理计算机7、二维显微载物台10，三维形貌测量系统以及为三维形貌测量系统供电的直流电源2；所述三维形貌测量系统包括光栅相移投影器3和CCD传感器5；所述光栅相移投影器3包括数字摄像头、定焦镜头和栅线投影测量软件(相移软件)；CCD传感器5包括摄像机镜头和相关图像处理软件所述样品池固定在所述二维显微载物台上，所述样品池的池口上覆盖待侧的1mm厚的多层复合柔性薄膜4，所述多层复合柔性薄膜与池口周边密封连接，所述压力控制器与微型泵及样品池连接，压力控制器通过采集样品池9内液体的压力值以控制微型泵工作，从而实现改变样品池9内的液体8的压强；所述光栅相移投影器3用于将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，所述CCD传感器3用于采集多层复合柔性薄膜变形后的正弦栅线投影图像，传送到图像处理计算机。

其中，光栅相移投影器3将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜4的表面，利用相移技术处理投影条纹图像，CCD传感器5通过扫描，接收投影条纹图像，得到多层复合柔性薄膜形变后的轮廓特征曲线，通过相移栅线投影结合数字图像相关的方法以测量微结构多层复合柔性薄膜形变后的三维形貌，通过图像处理计算机的相关图像处理软件分别分析多层复合柔性薄膜上凸和下凹形变后的曲率关系，多次测量，实现对不同的液体压强参数条件下复合柔性(可延展)薄膜的上凸和下凹两种形变后的曲率值进行测试。

所述二维显微载物台为精密二维显微载物台，由受电机驱动的丝杠驱动在直线导轨上二维移动，所述微型泵为高精度微型泵。

所述多层复合柔性薄膜的四周通过圆环状的垫片6及螺钉与样品池相固定。

工作时，样品池固定于精密二维显微载物台上，样品池上覆盖的多层复合柔性薄膜通过精密二维显微载物台上丝杠驱动来实现在直线导轨上的二维移动，系统通过压力控制器和微泵改变样品池内液体的压力，可以确保柔性复合(可延展)薄膜形变后曲率在整个测量过程中保持不变，多层复合柔性薄膜在液体压强和空气压强的共同作用下，实现凸面-平面-凹面的形变变化，从而获得样品池上的多层复合柔性薄膜不同程度的形变。三维形貌测量系统，利用光栅相移投影器将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，利用相移技术处理投影条纹图像，通过相互算法，可以得到多层复合柔性薄膜形变后的轮廓特征曲线，通过相移栅线投影结合数字图像相关的方法测量多层复合柔性薄膜形变后的三维形貌，得到柔性复合(可延展)薄膜在上凸-下凹形变状态下的不同轮廓曲线，计算两种轮廓曲线的曲率，对比多层复合柔性薄膜两种形变下的不同曲率。

本发明复合柔性薄膜曲面形变检测方法，具体是，包括下述步骤：

S1：安放二维显微载物台，将样品池固定于二维显微载物台上，并保证样品池的紧固程度；

S2：安装微型泵与压力控制器，同时安放储液池，将储液池与微型泵通过导管连接，并将压力控制器两端分别连接微型泵和样品池；

S3：在样品池上部覆盖1mm厚的多层复合柔性薄膜，多层复合柔性薄膜的四周通过圆环状的垫片和螺钉固定，保证四周的密闭性；

S4：在多层复合柔性薄膜上方安置光栅相移投影器和CCD传感器，同时多层复合柔性薄膜在二维显微载物台上的导轨上移动，使其两者关于中轴对称布置，左边为光栅相移投影器，右边是CCD传感器；

S5：启动图像处理计算机，打开相关图像处理软件，用来实时监测多层复合柔性薄膜形变后的曲率分析值；

S6：启动度微型泵和压力控制器，通过微型泵控制储液池向样品池注入液体；通过控制样品池压强，实现多层复合柔性薄膜处于下凹和上凸状态，同时将多层复合柔性薄膜初始状态时的体积记作0，下凹的体积后的体积为负值，上凸时的体积记为正值，且下凹与上凸两种形变的体积的绝对值相等；

S7：检测时，开启光栅相移投影器和CCD传感器，光栅相移投影器将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜的表面，CCD传感器将变形后的正弦栅线图像进行采集，图2-3中，θ1是光栅相移投影器轴线与中垂线之间的夹角，Δs是像平面上条纹的移动量，点O是投影器轴线与处于初始水平状态时的多层复合柔性薄膜的交点，点P是投影器轴线与形变后的多层复合柔性薄膜的交点，θ2是∠OPQ，【注：图2中过点P作直线PQ垂直于O点反射光线，将直线OP与直线PQ相交所形成的夹角OPQ记为θ2；图3中过P点作延长线垂直于O点反射光线的延长线交于Q点，使得PQ垂直于QO，将直线OP与直线PQ相交所形成的夹角OPQ记为θ2】，OQ垂直于O点反射光线，如果试样到成像系统的工作距离远远大于试件本身的几何尺寸，那么被测物体表面高度h与条纹相位之间关系为

式中，h(x,y)为被测物体表面高度；f是像平面上的空间频率；M＝Δs/pq是系统的放大倍数,φ是对应于高度的相位；k为与测量系统有关的常数，可通过标定来确定,

两个不同状态的相位差Δφ＝φ₂-φ₁对应于物体离面变形。对于三维变形情况，由于面内位移的存在，使变形前后同一个点的坐标发生了改变，因此计算离面变形的时候，需要将变形前后的对应点的形貌作比较，即离面变形为

Δh＝h₂(x^*,y^*)-h₁(x,y)＝h₂(x+u,y+v)-h₁(x,y) (2)

式中，h₂(x^*，y^*)和h₁(x，y)分别是变形前后的形貌，u和v分别是x和y方向面内位移，可以通过数字图像相关算法计算得到。由公式(1)中的高度值可以得到多层复合柔性薄膜表面形貌，通过控制计算机的图像处理软件分别分析多层复合柔性薄膜上凸和下凹形变后的曲率关系；

S8：重复步骤S6-S7，对不同的液体压强参数条件下复合柔性薄膜上凸和下凹两种形变后的曲率值进行测试。

本发明的多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置及检测方法，可应用于多层复合柔性薄膜微结构形变后三维形貌的曲率的检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置，其特征在于，包括：

样品池、储液池、压力控制器、用于将储液池内液体送入样品池中的微型泵、图像处理计算机、二维显微载物台和三维形貌测量系统；所述三维形貌测量系统包括光栅相移投影器和CCD传感器；所述样品池固定在所述二维显微载物台上，所述样品池的池口上覆盖待侧的多层复合柔性薄膜，所述多层复合柔性薄膜与池口周边密封连接，所述压力控制器与微型泵及样品池连接；所述光栅相移投影器用于将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，所述CCD传感器用于采集多层复合柔性薄膜变形后的正弦栅线投影图像，传送到图像处理计算机。

2.如权利要求1所述多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置，其特征在于，所述二维显微载物台由受电机驱动的丝杠驱动以实现在直线导轨上二维移动。

3.如权利要求1所述多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置，其特征在于，所述多层复合柔性薄膜的四周通过圆环状的垫片及螺钉与样品池相固定。

4.一种多层复合柔性薄膜曲面形变检测装置的检测方法，其特征在于，包括步骤：

S1：启动图像处理计算机，开启图像处理软件；

S2：启动微型泵和压力控制器，通过微型泵控制自储液池向样品池注入液体；通过压力控制器控制样品池内液压压强，实现多层复合柔性薄膜处于下凹或上凸状态，同时将多层复合柔性薄膜初始状态下的体积记作0，下凹状态下的体积记为负值，上凸状态下的体积记为正值，且使下凹与上凸两种形变的体积的绝对值相等；

S3：开启光栅相移投影器和CCD传感器，光栅相移投影器将正弦栅线投影到多层复合柔性薄膜表面，控制二维显微载物台移动使多层复合柔性薄膜移动，CCD传感器实时采集多层复合柔性薄膜变形后的正弦栅线投影图像，传送到图像处理计算机，利用图像处理软件分析CCD传感器传送的图像，得到多层复合柔性薄膜上凸和下凹形变后的曲率；

S4：重复步骤S2-S3，通过压力控制器及微型泵改变样品池内液压压强，得到多层复合柔性薄膜在不同液体压强参数条件下的上凸和下凹形变的三维形貌曲率。