一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置

1.本发明属于静密封技术领域，具体涉及一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置。


背景技术：

2.在两表面的实际接触中，目测贴紧的两表面实际上有宏观的波度和微观的表面粗糙度，实际发生接触的并不是整个目测贴紧的表面，而是表面上各个独立的点接触的总和形成的实际接触面积。如果未接触点形成了连续的通路，则气态或液态介质会从这些连续的通路中流出。
3.静密封是一类使用广泛的重要的密封状态。静密封的主要工作原理是：施加压紧力，使得密封件和待密封件紧密接触，利用橡塑材料的回弹性，堵住接触面间的间隙，避免未接触点形成连续的通路，达到良好的密封效果。因此在静密封中，测量两接触面间的实际接触情况对于评价密封性能非常重要。静密封中关注的实际接触情况包括实际接触面积，实际接触面的宽度在密封长度方向上是否连续、分布是否均匀。
4.很多静密封问题中，密封腔体内部是存在带压密封介质的，且为了实现可拆式密封，在石油化工设备，消防设备，能源动力设备及运输管道，阀门的阀盖与阀体，单电池与电池极板等场景中，大量使用螺栓法兰、螺栓端盖连接。
5.对于内部存在带压密封介质的静密封，密封介质充入的过程中，介质内压会引起轴向力，导致上下压紧面分离，实际接触情况变化，密封垫片的压缩量减小，密封垫片回弹。设备带压工作时的密封性能与密封垫片回弹后的实际接触情况紧密相关。
6.目前针对内部存在带压密封介质的螺栓法兰连接和螺栓端盖连接的设计，已经有了大量的研究，但是密封性能检测方法的研究却存在不足，各类检漏方法，例如压降检漏法、氦质谱仪检漏法、差压检漏法等仅能给出泄漏率的结果，难以确定充入密封介质前密封件是否结构稳定，难以确定充入密封介质前后实际接触情况的变化，也难以精确定位泄漏点的位置。
7.在内部存在带压密封介质的可拆式静密封中，密封件和待密封件的实际接触情况与普通的两表面接触问题相比，有以下几个特点：1)在实际使用时，很多密封件不是通过加载装置均匀施加加载压力的，而是通过螺栓螺母垫圈紧固件等常见夹具紧固的，这种紧固方式在紧固件附近存在应力集中，密封件受到的压力不是均匀的。2)密封件一般为窄环状，截面尺寸远小于长度尺寸，因此需要提高观测精度，识别大范围内的局部小接触面积。3)静密封中，密封腔体内大多会存在带压的气体/液体介质，密封介质的充入过程会影响实际接触情况和接触面的压力，甚至造成密封件的歪倒，扭曲，窜动，导致更大的泄漏；4)密封介质以一定压力稳定存在于密封腔体中时，实际接触情况和介质充入前存在差异。
8.中国专利《一种基于全反射法的实际接触面积测量仪》(申请号为：201910214039.6，公告号为cn109931891a，公告日期为2019-06-25)，基于光的全反射测量实验材料的实际接触面积，通过压力载荷的加载装置将压力均匀施加于实验材料，观测实
验材料的实际接触面积；但是这种方法不能反映实际静密封中密封件受到紧固件施加的非均匀预紧力时的接触情况，也不能反映密封介质充入前后的接触情况差异；且对实际接触面积的图像清晰化处理不足，接触边界清晰度较低，背景光、污点等外界环境会影响实际接触面积的判断，对于密封件这种大范围内的局部小接触面积的问题，容易导致实际接触区域的误判。
9.综合考虑现有的实际接触面积的测量方法，均缺乏对实际静密封条件下，密封面接触情况变化的实时观测能力。通过原位、实时观测的方法获取实际接触情况对于研究静密封的密封性能很重要，进一步地，对于研究紧固件分布、密封件结构稳定性、密封件材料老化、温度湿度等对静密封效果的影响有重大意义。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置，解决了现有实际接触测量方法应用于实际静密封件中的局限性，可以对由紧固件施加压力载荷的实际静密封件进行测量，可以对内部存在带压密封介质的静密封件进行测量，能够实现静密封件的实际接触情况的实时观测，为密封性能评估提供支持。
11.本发明通过以下技术方案来实现：
12.一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置，包括密封件夹具组件，密封件夹具组件包括夹具端板，透明夹具板，紧固件；待测密封件设置于夹具端板和透明夹具板之间，紧固件对待测密封件施加压力载荷；密封件夹具组件设置于支撑平台上，支撑平台包括支架组件和平台组件；平台组件包括平台和基座；支架组件包括多点激光位移传感器支架，光源支架，相机支架；多点激光位移传感器设置在多点激光位移传感器支架上，多点激光位移传感器正对着密封件夹具组件，用于测量待测密封件在压力载荷下的实际厚度、压缩率和压缩率的分布均匀性；透明夹具板的侧面设置有一圈光源，光源设置于光源支架上，使得光源与透明夹具板的侧面稳定接触；正对着透明夹具板设置有用于拍摄待测密封件的相机，相机设置在相机支架上；夹具端板上开设有密封介质充入口，密封介质充入口开设于待测密封件形成的密封腔体中，密封介质充入口与介质充入模块相连接；介质充入模块用于对密封腔体内部充入密封介质。
13.进一步地，紧固件包括螺栓螺母垫圈紧固件，螺栓螺母垫圈紧固件的螺栓上套接有螺栓力传感器，螺栓力传感器的上端面与夹具端板相接触，下端面设置有金属平垫圈；
14.进一步地，介质充入模块为充气模块或充液模块，介质充入模块用于对密封腔体内部充入密封介质，所述密封介质为待测密封件所密封的介质，包括气体介质、液体介质；
15.进一步地，根据相机得到图像的整体灰度分布，对图像提取亮度阈值i，亮度高于阈值i的像素点为接触点，亮度低于阈值i的像素点为非接触点，使用二值法得到实际接触区域图像；
16.进一步地，使用二值化后的图像可以定位泄漏点的位置，具体的，泄漏点出现在密封线上存在连续的非接触点处；
17.进一步地，使用图像减法对比施加压力载荷前后、充入密封介质前后相机得到的图像，用于判断实际接触情况的变化；
18.进一步地，设置有数据处理系统，螺栓力传感器，多点激光位移传感器，相机均与
数据处理系统信号连接；
19.进一步地，数据处理系统记录待测密封件的实际厚度h、压缩率ε、螺栓力传感器的示值、相机获得的图像。
20.进一步地，支撑平台设置于封闭试验舱内部，封闭试验舱包括试验舱框架、覆盖于试验舱框架外表面的黑色吸光布，封闭试验舱用于隔绝外部光线；
21.进一步地，设置密封件夹具组件时，若透明夹具板设置在夹具端板的下方，则透明夹具板放置在支撑平台上，相机设置在透明夹具板下方，平台的材料为高刚度的透明材料，包括浮法玻璃、钢化玻璃、有机玻璃、帕姆板；
22.进一步地，设置密封件夹具组件时，若夹具端板设置在透明夹具板的下方，则夹具端板放置在支撑平台上，相机设置在透明夹具板上方。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明公开的一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置，基于光的受抑全反射原理，使光线从玻璃射向空气时发生全内反射，当密封件与玻璃接触时，接触处的全反射条件被破坏，光线逸出形成光斑，光斑表征实际接触面积。
25.在遮光的封闭试验舱中，将待测密封件放置在密封件夹具组件中，通过紧固件施加压力，通过多点激光位移传感器测量待测密封件在不同压力载荷下的实际厚度，由此推算压缩率，并判断密封件各处的压缩率是否均匀；通过介质充入模块向待测密封件形成的密封腔体中充入一定压力的密封介质，相机记录密封件预紧后、充入密封介质的过程中、密封介质以一定压力稳定存在于密封腔中时的实际接触情况和实际接触情况的变化。对于研究静密封中，紧固件分布、紧固力大小、密封件结构、密封件材料老化等对静密封效果的影响有辅助意义。
26.本发明还具有以下优点：
27.1.在很多静密封场景中使用非均匀加载的方式预紧密封件，如螺栓法兰、螺栓端盖等；本发明使用螺栓螺母垫圈紧固件施加加载压力，可以原位观测到压力的分布对实际接触情况的影响，判断紧固件分布造成的部分区域应力集中对实际接触面的接触宽度的影响，评估接触宽度在密封长度方向上的分布均匀性。
28.2.相比于现有实际接触的观测方法，本发明可以实时观测密封件预紧后、充入密封介质的过程中、密封介质以一定压力稳定存在于密封腔中时的实际接触情况和实际接触情况的变化；便于分析密封件自身的结构稳定性，判断密封件的结构是否会因预紧和充入介质导致失稳，发生歪倒，扭曲，窜动；分析密封介质的压力对实际接触情况的影响，指导预紧力的取值。
29.3.密封件设置在夹具中时，密封件的接触面积明显小于密封腔体的面积，是一个大范围内的局部小接触面积的接触问题，本发明中使用高像素的工业相机，配装工业相机放大镜头提高观测精度；并根据亮度阈值、二值法、图像减法处理图像，提高图像处理精度；同时二值化后的图像可以精确定位泄漏点的位置，观测精度可达微米级。
30.4.使用遮光的封闭试验舱，可以减少环境光对试验结果的影响，提高实际接触区域和实际非接触区域的分辨能力，提高实际接触区域的测量精度。
31.5.使用多点激光位移传感器得到密封件夹具组件与多点激光位移传感器间距的多点数据，可以测量待测密封件在预紧后、充入密封介质的过程中、密封介质以一定压力稳
定存在于密封腔中时的实际厚度，并计算得到压缩率和压缩率分布均匀性。
附图说明
32.图1为具体实施方式1的整体结构示意图。
33.图2为具体实施方式2的整体结构示意图。
34.图3为充气模块的组成结构示意图。
35.图4为充液模块的组成结构示意图。
36.图5为对样件施加压力载荷后的实际接触情况。
37.图6为对样件充气后的实际接触情况，其中存在泄漏点，用白色圆圈圈出。
38.图中，1-透明夹具板，2-待测密封件，3-夹具端板，4-光源，5-平台，6-基座，7-密封介质充入口，8-介质充入模块，9-支架组件，901-光源支架，902-相机支架，903-多点激光位移传感器支架，10-相机，11-多点激光位移传感器，12-紧固件，13-螺栓力传感器，14-封闭试验舱，15-数据处理系统。
39.16-气源，17-减压阀，18-充气阀，19-压力表。
40.20-储液罐、21-调压阀、22-进液阀、23-压力表。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
42.一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置，如图1所示，
43.一种基于光学的静密封中实际接触的实时测量装置，包括密封件夹具组件，密封件夹具组件包括夹具端板3，透明夹具板1，紧固件12；待测密封件2设置于夹具端板3和透明夹具板1之间，紧固件12对待测密封件2施加压力载荷；密封件夹具组件设置于支撑平台上，支撑平台包括支架组件9和平台组件；平台组件包括平台5和基座6；支架组件9包括多点激光位移传感器支架903，光源支架901，相机支架902；多点激光位移传感器11设置在多点激光位移传感器支架903上，多点激光位移传感器11正对着密封件夹具组件，用于测量待测密封件2在压力载荷下的实际厚度、压缩率和压缩率分布均匀性，多点激光位移传感器11的测量精度不大于待测密封件2压缩率允许误差的1/3；透明夹具板1的侧面设置有一圈光源4，光源4设置于光源支架901上，使得光源4与透明夹具板1的侧面稳定接触，优选地，光源4包括led光源，光源4连接有供电电源，光源4的颜色为蓝色、绿色或紫色；正对着透明夹具板1设置有用于拍摄待测密封件2的相机10，相机10设置在相机支架902上；夹具端板3上开设有密封介质充入口7，密封介质充入口7开设于待测密封件2形成的封闭密封腔体中，密封介质充入口7与介质充入模块8相连接；介质充入模块8用于对密封腔体内部充入密封介质。
44.紧固件12包括螺栓螺母垫圈紧固件，螺栓螺母垫圈紧固件的螺栓上套接有螺栓力传感器13，螺栓力传感器13的上端面与夹具端板3相接触，螺栓力传感器13的下端面设置有金属平垫圈。
45.介质充入模块8为充气模块或充液模块，介质充入模块8用于对密封腔体内部充入密封介质，密封介质为待测密封件所密封的介质，包括气体介质、液体介质；充气模块包括气源16、减压阀17、充气阀18、压力表19，充液模块包括储液罐20、调压阀21、进液阀22、压力
表23。
46.设置有数据处理系统15，螺栓力传感器13、多点激光位移传感器11、相机10均与数据处理系统15信号连接；通过数据处理系统15记录待测密封件2的实际厚度h、压缩率ε、螺栓力传感器13的示值、相机10获得的图像。
47.其中，实际厚度h的计算方法为：多点激光位移传感器11正对着密封件夹具组件，测得紧固件12未紧固时，多点激光位移传感器11与密封件夹具组件的多点初始间距a；以预紧压力载荷值紧固紧固件12后，测得多点激光位移传感器11与密封件夹具组件的多点间距b，待测密封件2在预紧压力载荷下的实际厚度h按照公式h＝a-b求得。
48.压缩率ε的计算方法为：根据待测密封件2在预紧压力载荷下的实际厚度h计算待测密封件2的压缩率ε，计算公式为ε＝h/h0，h0为待测密封件2的初始厚度；如果多点处计算得到的压缩率ε的误差大于密封件压缩率的误差允许范围，则说明压缩率分布均匀性较差。
49.在充入密封介质的过程中、密封介质以一定压力稳定存在于密封腔中时分别记录多点激光位移传感器11与密封件夹具组件的多点间距，得到密封件实际厚度h和压缩率ε随密封介质充入过程的变化情况。
50.根据相机10得到图像的整体灰度分布，对图像提取亮度阈值i，亮度高于阈值i的像素点为接触点，亮度低于阈值i的像素点为非接触点，使用二值法得到实际接触区域图像；使用图像减法对比施加压力载荷前后、充入密封介质前后相机得到的图像，用于判断实际接触情况的变化。
51.支撑平台设置于封闭试验舱14内部，封闭试验舱14包括试验舱框架、覆盖于试验舱框架外表面的黑色吸光布，封闭试验舱14用于隔绝外部光线；优选地，试验舱框架使用铝型材搭建。
52.下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述。
53.实施例1：
54.如图1所示，设置密封件夹具组件时，夹具端板3设置在透明夹具板1的下方，夹具端板3放置在支撑平台上，相机10设置在透明夹具板1的上方，多点激光位移传感器11设置在透明夹具板1的上方。
55.优选地，相机10使用1000万像素的工业相机，配装25倍工业相机放大镜头，观测精度可达微米级。优选地，光源4为绿色led光源。
56.基座6的材料需要保证平台5的稳定支撑，在本实施例中基座6为铝合金支架，支架底部安装三角形加强筋，平台5使用木板制作。
57.在本实施例中待测密封件2在密封线长度方向上为带圆角的矩形，初始厚度1.5mm，压缩率允许误差1％，优选地，多点激光位移传感器11的测量精度为5um。
58.如图3所示，密封介质为压缩空气，介质充入模块8为充气模块，包括压缩空气气源16、减压阀17、充气阀18、压力表19。
59.如图5所示，密封件与透明夹具板1接触处的光斑图像被相机10获得,根据相机10得到图像的整体灰度分布，对图像提取亮度阈值i＝108，亮度高于阈值108的像素点为接触点，亮度低于阈值108的像素点为非接触点，使用二值法得到了实际接触区域的图像，白色表示接触区域，黑色表示非接触区域。
60.使用二值化后的图像可以定位泄漏点的位置，具体的，泄漏点出现在密封线上存
在连续的非接触点处；向密封腔体内部充入300kpa的压缩空气3分钟后，得到了实际接触区域的图像，如图6所示，图6中存在明显的非连续接触点，用白色圆圈标示出来，此处是泄漏位置。
61.实施例2：
62.如图2所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，设置密封件夹具组件时，透明夹具板1设置在夹具端板3的下方，透明夹具板1放置在支撑平台上，相机10设置在透明夹具板1的下方，多点激光位移传感器11设置在透明夹具板1的下方。平台5的材料为有机玻璃，以保证平台5的透光性。
63.本发明的使用方法如下：
64.清理透明夹具板1、待测密封件2、夹具端板3的表面，将待测密封件2放置在透明夹具板1和夹具端板3之间，将紧固件12穿过透明夹具板1和夹具端板3上的螺栓孔，将螺栓力传感器13套接在螺栓上，打开多点激光位移传感器11，记录多点激光位移传感器11与密封件夹具组件的多点初始间距a。将紧固件12紧固至目标预紧力，记录多点激光位移传感器11与密封件夹具组件的多点间距b，打开光源4，同时数据处理系统15记录待测密封件2的实际厚度h、压缩率ε、螺栓力传感器13的示值和相机10获得的图像。将相机10设置为连续拍照模式，打开介质充入模块8的阀，向待测密封件2的密封腔体内部充入一定压力的密封介质，记录密封介质充入过程中及充入完成后的实际接触图像和压缩率ε的变化。逐渐增大紧固件12的预紧力并进行上述测试。得到实际接触情况与压力载荷、密封介质、密封介质压力的变化关系，得到密封介质充入过程中密封腔体内压力突变对实际接触情况的影响，得到待测密封件2结构稳定性的评价。
65.本发明的有益效果为：
66.在很多中低压静密封中，通过紧固件提供压紧力，如螺栓法兰、螺栓端盖等，本发明可以得到实际紧固件分布位置造成的部分区域应力集中对实际接触面的接触宽度的影响，评估接触宽度在密封长度方向上的分布均匀性，判断密封可靠性。
67.本发明对于研究静密封中，紧固件分布、紧固力大小、密封件结构、密封件材料老化等对静密封效果的影响有辅助意义。
68.本发明可以实时得到密封件预紧后、充入密封介质的过程中、完成密封介质充入后的实际接触情况和实际接触情况的变化，可以评价密封件的结构稳定性，评价密封件对一定压力的密封介质的密封能力。
69.本发明根据亮度阈值、二值法、图像减法可以提高实际接触区域的识别精度；可以通过实际接触情况的二值化图像处理，精确定位泄漏点的位置。
70.需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。