CN100523719C - 利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地形状测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光散斑剪切干涉法测量轮胎触地面内的胎面的变形和触地压力的装置。为此，本发明的测量装置按照以下方式构成，即，在将轮胎和压纹固定在被激光照射的丙烯板上以后，照射激光等相干光束，求出照射在轮胎表面的光的相位图，从而定量地求出与该物理量对应的物体表面位移的微分值，并且本发明采用了通过非破坏性的检查方式获得变形分布的全域描述的激光散斑剪切干涉法以及使用共同光路的结构特性。

Description

利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地形状测量装置

技术领域

本发明涉及轮胎触地形状测量装置，特别涉及一种利用激光散斑剪切干涉法，用于测量轮胎触地面内的胎面的变形和触地压力的装置。

背景技术

一般地，采用从外部透射的光在由轮胎的接触压力压缩成的压纹表面产生漫射的原理，并且根据反射光的反射率和强度，定性和定量地测量应力和变形。

即，利用在对轮胎加载的情况下压纹表面变形而变化的量和光的反射率即可测量印迹(footprint)。

然而，上述现有的测量方法在载荷变化时，仅限于触地压力的测量。即，如果压纹表面的变化超过一定值，则压纹表面的变化相对压力的线性关系将丧失。

此外，表面的反射率相对于压力不是线性的比例关系。即，通过自然光观察压纹将存在相当大的误差。

而且，现有的测量方法还存在不能使由载荷引起的压力分布定量化的问题。

发明内容

因此，鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地形状测量装置，该装置可以对由轮胎的载荷引起的压力分布定量化，并可以准确测量由于载荷的增加而引起的触地压的变化。

为了解决上述课题，本发明利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地形状测量装置按照下述方式构成，在从波长为630纳米的氦氖激光器射出激光束时，该射出的激光束由包括物镜和针孔的空间滤光器过滤，由空间滤光器过滤的激光束由准直透镜变成平行光，由准直透镜所形成的平行光照射在厚丙烯板上以后被反射，通过分光器分成两束光以后，入射到两侧的第二和第三反射镜，在由分光器分成两束而入射的光中，其中一束光由第二反射镜反射而射入CCD照相机，另一束入射光由第三反射镜反射再穿过分光器而射入CCD照相机，上述具有相位差的反射光通过CCD照相机进行图像感测，由CCD照相机感测的图像通过图像处理用的八位帧接收器变换成数字信号，并由控制计算机通过预先内置的数据处理程序测量轮胎的触地形状和触地压力分布。

附图说明

图1A是本发明轮胎触地形状测量装置的结构图；

图1B是表示有x坐标轴、y坐标轴的图1A的厚丙烯板的主视图；

图2是根据本发明轮胎触地形状测量装置由轮胎载荷变化的触地压力的测量结果所形成的压力变化的相位图；

图3是根据本发明轮胎触地形状测量装置由轮胎载荷变化的触地压力的测量结果所形成的压力变化的位移微分值；

图4是由图3的压力变化所形成的位移微分值的三维图形。

具体实施方式

(实施例)

首先，对与本发明相关的技术领域的技术进行说明。

通常，如果以激光等干涉性良好的光照射粗糙的表面，则可以观察作为非人为变化的亮度分布的散斑。这种现象称为散斑效果，即使通过肉眼也可以充分观察该现象。此外，不管是进行记录的面的位置在哪里还是有没有透镜，均可以观察散斑效果。

如上所述，散斑包含了物体表面的粗糙、变形、位移等信息。散斑图样干涉计(SPI：Speckle Pattern Interferometer)是一种将具有上述信息的散斑图样作为素材观察被测量物的状态的光学干涉计。

在SPI中增加了使用电子装备而记录影像并对其进行处理的技术的则为电子处理散斑图样干涉法(ESPI：Electronic Speckle PattemInterferometry)。

如上所述，由于散斑的形状对于被反射的物体的变形反应非常敏感，所以需要使用高精度的变形测量手段。然而，由于这些手段对周围的环境非常敏感，因此会包含许多误差。

此外，作为以从将激光等相干光束(coherent beam)照射在测量体上所获得的相位图中可以直接测量物体的平面位移的微分值的方式设计的光学测量方法，有激光散斑剪切干涉法。

上述激光散斑剪切干涉法能够以非破坏性的检查方式获得变形分布的全域描述(full-field description)，且使用共同光路的结构(set-up)的特性和所测量的相位可提供位移微分值，从这方面来看，上述激光散斑剪切干涉法具有对刚体运动和其他的噪音等不敏感的优点。

本发明采用上述激光散斑剪切干涉法的优点，且在轮胎的表面与路面(厚丙烯板)之间留下压纹，由此克服了现有测量方法的限制。

即，虽然上述激光散斑剪切干涉法具有可以获得想要进行测量的物体表面的应力和变形的定量值的优点，但是在轮胎与地面接触而受到压力的情况下，由于在接触面处轮胎表面压力不能转换成表面位移，因此通过表面位移测量应力的上述激光散斑剪切干涉法不能求出表面上的应力分布。

因此，本发明将在具有对轮胎的压力变化反应非常敏感的现有测量方法中使用的压纹作为媒介，通过测量传递给压纹的位移来解决上述现有的问题。

以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1A所示的是本发明利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地形状测量装置，包括：氦氖激光器1、空间滤光器2、准直透镜3、丙烯板4、倾斜光具座5、压电变换器6、CCD照相机7、帧接收器8、D/A和A/D变换器9、控制计算机10、分光器11、压纹15以及第一、第二、第三反射镜M1、M2、M3。

图1B所示的是表示有x坐标轴、y坐标轴的图1A的厚丙烯板的主视图。

图2是根据本发明轮胎触地形状测量装置，由轮胎载荷变化的触地压力的测量结果所形成的压力变化的相位图。图3是根据本发明轮胎触地形状测量装置，由轮胎载荷变化的触地压力的测量结果所形成的压力变化的位移微分值。图4是由图3的压力变化所形成的位移微分值的三维图形。在各图中的x、y、z轴的单位为像素(pixel)。

在图1A所示适用激光散斑剪切干涉法的光学干涉计的测量装置中，首先，在从作为光源的波长为630纳米的氦氖激光器1射出激光束时，从氦氖激光器1射出的激光束被第一反射镜M1反射并由包括物镜2a和针孔2b的空间滤光器2过滤。

通过空间滤光器2过滤的激光束由准直透镜3变成平行光。

由准直透镜3所形成的平行光照射在厚丙烯板4上以后，被反射并由分光器11分成两束，然后入射到两侧的第二反射镜和第三反射镜M2、M3。

另一方面，轮胎12和压纹15装载并固定在厚的丙烯板4上。

此外，轮胎12与厚丙烯板4的表面接触，通过在轮胎12与丙烯板4之间将压纹15作为媒介使用，以将轮胎12的表面位移反映成被反射的光的相位差。

如上所述，在由分光器11分成两束而入射的光中，其中一束光由第二反射镜M2反射并射入CCD照相机7，另一束入射光由第三反射镜M3反射再穿过分光器11并射入CCD照相机7的上面。

另一方面，第二反射镜M2附着在倾斜光具座5上，由其反射的图像与由附着在压电变换器6上的第三反射镜M3反射的图像错开一定的剪切宽度(shearing width)并重叠。

此时，使用压电变换器6，使压电变换器6上的第三反射镜M3以1/4的波长为单位朝CCD照相机7方向进行移相，同时测量变形前和变形后的各四幅图像。

如上所述，具有相位差的反射光通过CCD照相机7感测，从而可以测量轮胎12的触地形状和触地压力的分布。

以下算式是由上述各相位变形引起的相位变形前和变形后的相位差：

$I_n=I_r+I_o\sqrt{I_r{I}_o}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{n\δ})$      变形前

$I_n^{\′}=I_r+I_o\sqrt{I_r{I}_o}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\Δ\φ}+\mathrm{n\δ})$  变形后

在此，Ir和Io为反射镜的反射强度(Intensity)，ф为初始相位，6表示相位的移动量，δ＝π/2，n＝0，1，2，3，4(4步相移)。

此外，以下算式为由变形引起的相位差(Δф)：

$\mathrm{\Δ\φ}=\tan \left(\frac{{I\′}_4-{I\′}_2}{{I\′}_1-{I\′}_3}\right)-\tan \left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

另一方面，在剪切(shearing)的方向为图1B～图4所示的y轴方向的情况下，由变形引起的相位差则意味着y轴方向的变形率，如以下算式：

$\mathrm{\Δ\φ}=K\·\frac{\∂U}{\∂y}\mathrm{\δy}$

在此，K为灵敏度矢量(sensitivity vector)；U为位移矢量，6y表示剪切宽度。

在激光照射的方向为图4的Z轴方向(normal direction：法线方向)的情况下，灵敏度矢量K的方向变成Z轴方向，相位差变成物体表面相对于法线方向的y轴的位移微分系数。

接着，如上所述，由CCD照相机7感测的图像(二维强度信息)通过图像处理八位帧接收器8被变换成数字信号并储存在控制计算机10中，上述图像在控制计算机10中通过预先内置的现有的数据处理程序(基于Matlab处理体系的程序，商标名：

，美国的MathWorks公司产品)进行处理，以测量轮胎12的触地形状和触地压力分布，该被处理的数据通过D/A和A/D变换器9进行D/A和A/D变换并输入输出。

另一方面，为了应用相移法(phase shifting method)，需要按照激光束的波长程度的位移进行移动，而使用压电变换器6可细微地调整第三反射镜M3的位置。

而且，提供给压电变换器6的直流电压可通过控制计算机10控制。

如以上所述，本发明的测量装置是一种具有以下结构的测量装置，即，在将轮胎12和压纹15固定在丙烯板4上以后，照射如氦氖激光的相干光束，求出轮胎12表面的该照射光的相位图，从而定量地求出与该物理量对应的物体表面位移的微分值。

也就是说，如上所述，本发明的测量装置通过以非破坏性的检查方式获得变形分布的全域描述的激光散斑剪切干涉法的优点以及使用共同光路的结构特性构成对于外部噪音不敏感的稳定的测量装置。

总之，为了在产业现场确保产品的可靠性和实现良好的产品适用性，对于物体的应力和变形的分析具有重要意义，与ESPI相比，本发明采用受周围环境影响更小的激光散斑剪切干涉法的优点，可以定量地测量轮胎胎面部的扭曲或表面应力和变形分布等。

通过以上说明可知，本发明可以对由轮胎的载荷引起的压力分布实现定量化，并可以准确测量由于载荷的增加而引起的触地压的变化，且使用共同光路，由此，对外部噪音不敏感，从而可以稳定地进行测量，而且可以测量到非常细微的变形，以非破坏性的检查方式获得变形分布的全域描述。

Claims (3)

1.一种利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地面内的胎面变形和触地压力测量装置，所述装置采用激光散斑剪切干涉法来测量轮胎的触地面内的胎面的变形和触地压力，其特征在于，

在波长为630纳米的氦氖激光器(1)射出激光束时，所述从氦氖激光器(1)射出的激光束由包括物镜(2a)和针孔(2b)的空间滤光器(2)过滤，

由所述空间滤光器(2)过滤的激光束通过准直透镜(3)变成平行光，由所述准直透镜(3)形成的平行光照射在丙烯板(4)上以后被反射，并由分光器(11)分成两束光，然后，入射到两侧的第二反射镜和第三反射镜(M2、M3)，

在由所述由分光器(11)分成两束而入射的光中，其中一束光由第二反射镜(M2)反射并射入CCD照相机(7)，另一束入射光由第三反射镜(M3)反射并穿过分光器(11)，射入CCD照相机(7)，

由所述第二反射镜(M2)反射入射的光与所述第三反射镜(M3)反射的另一束光之间具有相位差，并通过CCD照相机(7)进行图像感测，

由所述CCD照相机(7)感测的图像通过图像处理用的八位帧接收器(8)变换成数字信号，并由控制计算机(10)通过预先内置的数据处理程序对轮胎(12)的触地形状和触地压力分布进行测量，以及

在所述丙烯板(4)上装载并固定有压纹(15)，所述轮胎(12)与所述压纹(15)接触，其中在所述轮胎(12)和丙烯板(4)之间将所述压纹(15)作为媒介来反映由所述轮胎(12)的表面的位移所反射的光的相位差。

2.如权利要求1所述的利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地面内的胎面变形和触地压力测量装置，其特征在于，

所述第三反射镜(M3)的位置通过压电变换器(6)进行调整，以使用相移法。

3.如权利要求1所述的利用激光散斑剪切干涉法的轮胎触地面内的胎面变形和触地压力测量装置，其特征在于，

由附着在倾斜光具座(5)上的第二反射镜(M2)反射的图像，与由附着在压电变换器(6)上的第三反射镜(M3)反射的图像错开一定的剪切宽度并与其重叠，

所述压电变换器(6)上的第三反射镜(M3)以每1/4的波长为单位朝CCD照相机(7)方向进行相位移动，并且变形前和变形后的各四幅图像被测量。

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