CN100453967C - 微位移光学测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

微位移光学测试方法及其装置，涉及微位移、微应变测试方法及其装置。本发明采用下述步骤：1.取杠杆，取投影面；2.在杠杆的短臂上取一点，作为微位移输入端，将待测微位移从微位移输入端输入，经杠杆放大后，再使用光斑位移测定装置测得光斑位移值，经计算得到待测微位移。本发明使用如下装置：包括光斑位移测定装置，还包括杠杆，该杠杆设在支撑上，以杠杆的短臂上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂上设有激光器，在激光器的前方设有用于显示光斑位移的投影面，上述光斑位移测定装置用于激光器所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。本发明实现了结构简单、测试过程便于操作的目的。

Description

微位移光学测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及微位移、微应变测试方法及其装置，尤其涉及一种微位移光学测试方法及其装置。

背景技术

目前测量微形变方法通常有干涉法、激光测距法、电容法、差动变压器法等。其中电容法和差动变压器法将微形变测量转化为电量测量，都需要与被测表面接触属接触法测量，干涉法和激光测距法将微形变量转化为光学测量，无需与被测表面接触是非接触测量。接触测量通过测头接触被测表面来获取被测形面的几何信息，测量精度高，但测量效率较低，测量范围相对较小；非接触测量又可分为激光测量和CCD视觉测量，二者都是通过对被测物图像的检测实现对被测物形面的信息提取，其采点速度明显较快，测量范围也较大，精度相对较低。

光学方法广泛应用于各种检测中包括线位移、角位移、速度、振动、加速度等，线位移或应变测试应用中光学方法按光学原理分有光学干涉法、光学强度法、位置检测法以及光电动势法等其他光学方法。

光学干涉法主要基于迈克耳逊干涉法原理进行测量，包括偏振干涉、外差干涉及多光束干涉等，麦克逊干涉法能快速测量线位移，其具有很高的准确度(nm级)和分辨率(pm级)，受干涉光波长影响比较大，测量范围有限(几十μm)。但其对测试环境要求较高，适合于实验室科研使用。对于高精度要求时，干涉法要求光波长稳定度优于4×10^-6，光源温度稳定度优于0.01摄氏度，对于更高的精度要求时要考虑光强度分布的均匀性以减少衍射对测试结果的影响，还要考虑其他影响因素如测试系统所有部分的稳定度。

随着光电科技的进步，光电传感器技术获得了很大的发展，在此基础上发展出来了位置检测法，包括光学电位计法、PSD法和离散位置检测器法等。

光学电位计是M.F.Laguesse于1989年研制的一种光电位计式位置传感器，像一个电位计，光源作为滑动触头，荧光光纤作为静接触臂。通过两端荧光光纤输出信号电平来测量光源移动距离，其测量结果与光纤长度、光学衰减系数等相关。

PSD(Position-Sensitive Detector)是基于PN节随着光照强度改变而产生不同光电流，其测量精度影响因素包括暗电流、背景亮度和其他噪声。PSD测试包括两种测量方法，直流光电流法和交流相位检测法，其具有各自的优缺点。其测量分辨率可达1μm，测量范围可达70mm。PSD可以测量横向位移和轴向位移。

离散位置检测器(Discrete Position Detectors)法：PSD作为连续光传感器而出现，光传感器阵列可以同时检测光束位置和位移，其精度影响因素包括单个光传感器的尺寸，相对距离和光源强度分布。CCD作为离散位置检测器的代表性器件能提供光的位置分辨率和光的强度信息，为图像技术的发展提供了巨大的空间。在此基础上发展起来的微位移检测方法有数字散斑相关法，激光三角法、像散法、临界角法、傅科法和斜光束法等，其具有较高的分辨率和精度。如斜射三角法量程可达1000μm，分辨力小于0.2μm；以临界角法原理为基础的高精度光学表面传感器HIPOSS具有小于1nm的垂直分辨率和0.65μm的水平分辨率；以像散法原理为基础的表面粗糙度传感器具有2nm的测量分辨率。

光学方法还有其他方法如光学增量编码器可以测量线位移，分辨率可达0.05μm，测量范围可达几十mm；Hartmann波面传感器可以在20mm测量范围获得1μm的精度；光电动势法可在2mm的量程获得1μm分辨率。

在现有的微位移、微应变测试方法中，μm精度的设备大多价格昂贵、设备复杂宏大，因此，光学杠杆微位移测试方法应用于微位移、微应变有着良好的发展前景。

发明内容

本发明的目的是提出一种结构简单、测试过程便于操作的快速微位移光学测试方法及其装置。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种微位移光学测试方法，主要采用下列步骤：

步骤1取杠杆，将该杠杆支撑上并使杠杆形成短臂和长臂，在长臂设置激光器；取投影面，将该投影面置于激光器的前方，且使激光器发出的光斑投射到投影面上，

步骤2在杠杆的短臂上取一点，作为微位移输入端，将待测微位移从微位移输入端输入，经杠杆放大后，在投影面上产生放大的光斑位移，再使用光斑位移测定装置测得光斑位移值，经计算得到待测微位移。

本发明所述的所述微位移光学测试方法的装置，包括：光斑位移测定装置，还包括杠杆，该杠杆设在支撑上，以杠杆的短臂上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂上设有激光器，在激光器的前方设有用于显示光斑位移的投影面，上述光斑位移测定装置用于激光器所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。。

本发明通过杠杆放大原理将微小位移被测量放大，通过光学方法减少机械杠杆尺寸。杠杆短臂由传感臂和机械杠杆左半部分组成，杠杆长臂由机械杠杆右半部分和激光器产生的光路共同组成。微位移传感臂将检测到的微位移传递给杠杆短臂，测量时使杠杆测头接触待测点，这样杠杆测头中心的坐标就是待测点坐标。放大杠杆长臂上激光器将其测头微位移放大后形成光斑投影到远处投影面上，摄像机将光斑映射到摄像机成像平面上，计算机检测光斑在投影面上的位移。采用已知特征光斑作为成像目标，测量时CCD摄像机采集特征光斑的图像，经过图像处理和分析得到被测特征点的像面坐标值后，将其应用于方程得到待测点的坐标，从而进一步可以得到微位移。计算机通过与原始光斑图像比较可以得到微位移，由于只需要计算当前光斑图像数据，数据处理较快，能以较快速度给出测量结果，实际最大测试速度与摄像头帧数及计算机处理速度有关。整个系统置于一个抗振平台上以消除振动和其他因素对测试结果的影响。系统中采用了一个三维微位移台以方便测试中的位置微调，同时该微位移台也适用于系统校准和标定。

短臂由传感臂和机械杠杆左半部分组成，长臂由机械杠杆右半部分和激光器产生的光路共同组成，由于长臂一部分采用了光路减轻了实际机械重量和尺寸，也有利于保持杠杆两端平衡。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明采用机械杠杆原理，结构简单易行。

2.机械长臂由机械杠杆右半部分和激光器产生的光路共同组成，由于长臂一部分采用了光路而大大减小了实际机械杠杆重量和尺寸，有利于避免杠杆两端保持平衡需要的配重。

3.短臂L1由传感臂和机械杠杆左半部分组成，长臂L2由机械杠杆右半部分和激光器产生的光路共同组成，由于长臂一部分采用了光路减轻了实际机械重量和尺寸，也有利于保持杠杆两端平衡。

4.光学处理方法中光斑中心求取方法能较好的消除了平台和倾角及其他因素导致的误差，同时还可以推算出光斑峰值。

附图说明

图1为本发明系统总体示意图。

图2使本发明的实施例系统总体示意图。

其中，1-固定基座，2-三维微位移台，3-可调高压电源，4-负极板，5-正极板，6-被测对象，7-传感臂，8-短臂，9-支撑中心，10-激光器，11-长臂，12-投影面，13-光斑中心，14-CCD摄像头，15-计算机，16-光斑检测部分。

图3为光学杠杆法放大测量原理图，图中L2为杠杆支撑中心到投影面的垂直距离，L1为杠杆支撑中心到接触点的距离，H1为接触点距其初始位置的垂直位移，H2为光斑中心的垂直位移，α为杠杆中心到接触点连线与水平线间的夹角。θ为光学杠杆的旋转角。

图4为利用本发明对两个电致伸缩样品进行测量所得的升压曲线和降压曲线，测试中设定连续加载高压并同时测量微形变，测定样品的动态和静态特性。

图5为非线性系数随θ的变化规律。

具体实施方式

实施例1

一种微位移光学测试方法：

步骤1取杠杆，将该杠杆支撑9上并使杠杆形成短臂8和长臂11，在长臂11设置激光器10；取投影面12，将该投影面12置于激光器10的前方，且使激光器10发出的光斑投射到投影面12上，

步骤2在杠杆的短臂8上取一点，作为微位移输入端，将待测微位移从微位移输入端输入，经杠杆放大后，在投影面12上产生放大的光斑位移，再使用光斑位移测定装置16测得光斑位移值，经计算得到待测微位移。

激光器10置于长臂11的端部且使激光器10产生的激光束与杠杆平行。

实施例2

如图1所示，一种实现上述微位移光学测试方法的装置，包括：光斑位移测定装置16，还包括杠杆，该杠杆设在支撑9上，以杠杆的短臂8上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂11上设有激光器10，在激光器10的前方设有用于显示光斑位移的投影面12，上述光斑位移测定装置16用于激光器10所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。

激光器10设在杠杆长臂11的端部，且使激光器10产生的激光束与杠杆平行。

以杠杆短臂8的端部作为待测微位移的输入端。

本发明通过采用如下技术措施，还可使本发明用于测定电致伸缩材料产生的微位移，具体技术措施如下：

参照图2，支撑9的下端连接一基座1，在基座1上设有一块电源极板4，在待测微位移的输入端上连接有兼做配重用的接触杆7，在接触杆7的下方设有另一电源极板5，上述一块电源极板4与另一电源极板5分别连接于可调高压电源4。

以被测对象为电致伸缩材料为例，将电致伸缩材料6置于一块电源极板4与另一电源极板5之间，在外加电压下将发生应变，在低压下应变量非常小，θ变化范围并不大，而是限制在一定范围内，若L2＝5m，L1＝0.05m，则对应线性放大系数为100，对于一定角度θ，非线性系数变换规律如图5所示，假定θ∈(-0.03，0.03)，则有如图5(b)所示关系，可以发现非线性放大系数θ∈(1.37，1.46)，非线性变化最大为6.2％，对应测量范围为2.12mm；假定θ∈(-0.003，0.003)，则有如图5(c)所示关系，可以发现非线性放大系数θ∈(1.4100，1.4185)，变化最大为0.75％，对应测量范围为0.212mm；采用θ∈(-0.003，0.003)时的测量范围对于电致伸缩测量已经足够。实际测量中测试范围为150μm，非线性放大系数变化更小，忽略非线性放大系数在θ∈(-0.003，0.003)范围内微小的非线性引入的误差更小，其最大理论测量误差小于0.3μm。

具体测试步骤如下：

(1)将被测对象用夹具夹持在测试设备中，使杠杆测头接触待测点。

(2)放大杠杆长臂上激光器将其测头位置对应光斑投射到远处投影面上，摄像机14将光斑13映射到摄像机成像平面上，计算机15检测光斑在投影面上的初始位置。

(3)使被测对象发生微位移或微应变，测试系统检测出对应位移变过程并给出微位移量，通过计算可以得到微应变量。

光斑中心求取步骤如下：

(1)对光斑图像数据进行初始滤波，消除噪声；

(2)采用多椭圆环质心法检测出光斑是否有明显的偏心及其方向，然后根据该检测结果手工调整以使偏心尽量小；

(3)进一步进行数据预处理，将光斑烧孔、衍射斑、中心饱和平台数据剔除；

(4)对消除偏心、剔除烧孔、衍射和饱和平台后的光斑图像数据采用曲面拟合法进行曲面拟合，复原出高斯光斑图像并求取光斑中心。

采用光学杠杆法测量微位移，测量范围150μm，最大理论测量误差小于0.3μm。

Claims (5)

1、一种微位移光学测试方法，其特征在于：

步骤1取杠杆，将该杠杆设在支撑(9)上并使杠杆形成短臂(8)和长臂(11)，在长臂(11)设置激光器(10)；取投影面(12)，将该投影面(12)置于激光器(10)的前方，且使激光器(10)发出的光斑投射到投影面(12)上，

步骤2在杠杆的短臂(8)上取一点，作为微位移输入端，在微位移输入端上连接有一传感臂，用于将待测微位移传递给短臂，待测微位移从微位移输入端输入，并经杠杆放大后，在投影面(12)上产生放大的光斑位移，再使用光斑位移测定装置(16)测得光斑位移值，经计算得到待测微位移。

2、根据权利要求1所述的微位移光学测试方法，其特征在于激光器(10)置于长臂(11)的端部且使激光器(10)产生的激光束与杠杆平行。

3、一种用于实现权利要求1所述微位移光学测试方法的装置，包括：光斑位移测定装置(16)，其特征在于还包括杠杆，该杠杆设在支撑(9)上，以杠杆的短臂(8)上的一点作为待测微位移的输入端，在微位移输入端上连接有一传感臂，用于将待测微位移传递给短臂，在杠杆的长臂(11)上设有激光器(10)，在激光器(10)的前方设有用于显示光斑位移的投影面(12)，上述光斑位移测定装置(16)用于激光器(10)所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于激光器(10)设在杠杆长臂(11)的端部，且使激光器(10)产生的激光束与杠杆平行。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于以杠杆短臂(8)的端部作为待测微位移的输入端。

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