CN101033947B - 基于旋转y型光纤的三维变形测量系统 - Google Patents
基于旋转y型光纤的三维变形测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及了一种基于旋转分束光纤的三维变形测量系统。它由一个提供光源的激光器、一个带CCD摄像机的图像接收系统和一个分光传光及相移系统组成,分光传光及相移系统是一个旋转Y型光纤分光传光及相移系统。通过光纤的空间位置旋转控制,可以实现物体面内竖直方向、水平方向以及离面方向的变形测量。本发明结构合理紧凑,操作简便,适用于物体表面的静态一维、两维以及三维变形测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学三维变形测量系统,特别是一种基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统。
背景技术
随着工业的发展,人们对材料受力后,产生的变形、应力、应变等性能参数的研究要求也不断提高。从过去的只能应用于物体点测量的金属应力量表到可以测量物体面区域的散斑技术的应用。利用散斑技术对物体进行两维或三维的变形测量的硬件系统和变形处理等算法处理方面已经有许多方法。
在国内目前的文献记载中,电子散斑干涉技术测量物体表面三维变形系统的技术为:采用三个激光器从三个不同的方向照射以提供照射光源,照射被测物体和它的旁侧放置的参考物。用一个PZT相移器推动粘贴在参考物上面的三个反射镜,用于提供对应三束物光相干涉的参考光并引入相移。在CCD摄像机前放置大错位棱镜,使物体表面信息和参考物上的信息都进入CCD中,结合四步相移技术,三个激光器依次分别照射被测物,对所采集的散斑图进行运算并分离可获得三个独立的变形场。但这种系统由于激光器的数量多,结构庞大,参考物上的三个平面镜方向调整困难,且由于大错位棱镜的分离效果可能影响散斑图像质量,并且此系统不能单独进行一维或二维的测量。
在专利US 6188483B1中,测量三维物体表面变形的系统中,利用一个激光器提供光源,利用分光镜和反光镜特性,进行分光、传光。将两个双光束电子散班干涉系统和一个离面变形检测系统结合到一个系统中,分别依靠出射的四束激光束完成面内变形检测,并利用四束激光中的一束和内部另一束光束构成离面变形检测系统。将变形前后获得的电子散斑图运用直接相减算法进行处理后,得到三维变形数据。此系统可以单独进行一维、二维或三维变形的测量。缺点是采用分立的元件进行分光、传光,光学器件繁多,光学器件位置放置精度要求高,系统调试要求精度高,调整操作困难。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术中存在的缺陷,提供一种改进的基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统,结构简单,操作方便,并能保证测量精度。
为了达到上述目的,本发明的构思是:
本发明主要针对硬件系统进行了改进和创新,采用一根Y型光纤进行分光、传光,取两束分支光纤构成一对相干光束,用于变形检测,通过光纤出射端口发散角参数的预定,可以直接得到满足系统要求的发散光束,无需扩束器件。为了提高变形测量精度,仍采用四步相移算法,采用传统的引入相移方法,在上述相干光束中,选择其中一束分支光纤出射端口位置粘贴一个PZT相移器,通过PZT相移器的推动带动分支光纤微动,便可在此光束中引入相移。两分支光纤分别通过支架固定在可以旋转的圆盘上,两光纤位置于圆盘圆心对称。其中一束引入相移的光束,经调整角度后,空间相对于圆盘的位置不再变化,而另一分支光纤可以在电驱动旋转器件的带动下进行旋转。系统整体由于光纤的引入以及旋转装置的使用,结构大大简化,调试操作方便,此系统可以单独进行一维、二维或三维变形的测量,并使对图像后期处理的软件结构简单,并保证了测量精度。
根据上述的发明构思,本发明采用下述技术方案:
一种基于Y型光纤的三维变形测量系统,由一个提供光源的激光器、一个带CCD摄像机的图像接收系统和一个分光传光及相移系统组成,其特征在于所述的分光传光及相移系统是一个旋转Y型光纤分光传光及相移系统。
上述的旋转Y型光纤分光传光及相移系统的结构是:从所述的激光器来的主光纤经一个光纤调整架连接一个一分二的光纤耦合器输入端口,光纤耦合器的输出端口连接第一、第二分支光纤进行分光和传光:第一、第二分支光纤的输出端口分别固定在一个旋转器外缘上的一个旋转装置和一个旋转相移装置上,其输出光束分别照射被测物体。旋转相移装置上粘贴有一个PZT相移器,通过PZT相移器的膨胀移动,带动其粘贴的第二分支光纤移动,将相移引入第二光束内。
上述的旋转器及其连接安装结构是:旋转圆盘为两个同心圆环组成,其外环通过支架与一个小型电机连接,小型电机与电脑连接,在内环固定的情况下,外环在小型电机的旋转带动下,以圆心为中心顺时针或逆时针旋转,能旋转90°。在外环的边缘上,有两个于圆心对称的凹形槽,固定两个固定光纤的旋转装置和旋转相移装置。内环为T型结构,内环的内部口形槽固定分光镜,内环的T型端面有螺纹孔,旋接CCD镜头,T型端面底端凹槽插置CCD摄像机。
上述的旋转装置的结构式:第一分支光纤粘贴在一个第一光纤支撑架上,第一光纤支撑架通过支杆与小转子连接,通过小转子的旋转控制第一分支光纤的照射方向;所述的旋转相移装置的结构是:第二分支光纤固定在一个光纤固定块上,光纤固定块与所述的PZT相移器粘贴成刚性连接,然后PZT相移器与一个第二光纤支撑架粘贴成刚性连接,第二光纤支撑架通过支杆与电控转子连接,电控转子连接电脑。
上述的带CCD摄像机的图像接收系统的结构是:从所述的激光器出射光束经一个显微镜和光纤调整架,由分支光纤传光,经旋转装置控制照射角度,经过一个安置于旋转器上的衰减片后由分光镜分光,分光镜置于CCD摄像机与CCD镜头之间。
上述的CCD摄像机连接所述的计算机。
本发明与现有三维电子散斑变形检测系统相比较,具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:本发明系统中采用了旋转Y型光纤分光、传光;通过光纤的分光以及旋转器的旋转控制,仅需要两束光束便可得到系统所需的三对相干光束;通过一个PZT相移器得到满足实验要求的一束可以引入相移的激光光束。本发明所需光学器件少,结构合理紧凑,操作简便,适用于物体表面的静态三维变形测量。
附图说明
图1是本发明一个实施例的系统结构示意图。
图2是图1示例中的Y型光纤分光传光及相移系统的结构示意图。
图3是图1示例中的旋转器的结构剖面示意图。
图4是两铅垂线共面调整示意图。
图5是两分支光束调整共面的投影共面原理示意图。
图6是两分支光纤出射端口空间位置示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是:参见图1,本基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统由一个提供光源的激光器1、一个带CCD摄像机10的图像接收系统和一个分光传光及相移系统组成,所述的分光、传光及相移系统是一个旋转Y型光纤分光传光及相移系统。
上述的旋转Y型光纤分光传光及相移系统的结构是:从所述的激光器1来的主光纤经一个光纤调整架3连接一个Y型光纤耦合器5输入端口,光纤耦合器5的输出端口连接第一、第二分支光纤6、7进行分光和传光:第一分支光纤6的输出端口固定在旋转器30外缘上的旋转装置12上,第二分支光纤7固定在旋转器30外缘上的旋转相移装置16上,第一、第二分支光纤6、7出射光束都照射物体18。其中,旋转相移装置16上粘贴有PZT相移器22,通过PZT相移器22的膨胀移动,带动其粘贴的第二分支光纤7移动,将相移引入光束内。
上述的旋转相移装置16的结构是:第二分支光纤7固定在一个光纤固定块23上,光纤固定块23与PZT相移器22粘贴成刚性连接,然后,PZT相移器22与第二光纤支撑架21粘贴成刚性连接。第二光纤支撑架21通过支杆与电控转子20相连接。电控转子20与电脑19相连接,当电控转子20旋转时,带动第二分支光纤7旋转,从而改变第二分支光纤7的照射方向。第二分支光纤7与第二光纤支撑架21和PZT相移器22不连接。PZT相移器22受电压驱动推动光纤固定块23向前移动,从而使光纤固定块23带动第二分支光纤7沿光纤轴向移动,将相移引入第二分支光纤7中。
上述的旋转器30的结构是:由两个同心圆环11和15通过轴承联结组成,外环15通过支架9与一个小型电机8连接,小型电机8与电脑19连接。在内环11固定的情况下,外环15在小型电机8的带动下,以圆心为中心可以顺时针或逆时针旋转90°。在外环15的边界处,有两个关于圆心对称的凹形槽,用于固定旋转装置12和旋转相移装置16。内环11为T型结构,内部口形槽用于固定分光镜14,内环11的T型端面顶端有螺纹孔,用于放置CCD镜头17,T型端面底端凹槽用于固定CCD摄像机10。
上述的旋转装置12的结构是:第一分支光纤6粘贴在第一光纤支撑架25上,第一光纤支撑架25通过支杆与小转子24连接,通过小转子24的旋转控制第一分支光纤6的照射方向。
上述的带CCD摄像机10的图像接收系统的结构是:从所述的激光器1出射光束经一个显微镜2和光纤调整架3,由第一分支光纤6传光,经旋转装置12控制照射角度,经过安置于旋转器30上的衰减片13后由分光镜14分光,分光镜14置于CCD摄像机10与CCD镜头17之间。
上述的CCD摄像机10连接上述的计算机19。
上述的光纤耦合器5又称分歧器,是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件,我们主要应用它在系统中进行分光、传光。本系统中,采用一分二光纤耦合器,通过烧结方式的制作法,将两条光纤并在一起烧融拉伸,使核芯聚合一起,以达光耦合作用。通过调整拉锥的长度,以及对烧结温度的控制,实现光纤分光的能量比例,以达到本系统对两束分支光束能量的比例接近均等的要求。
系统调整过程
调整的目的主要有两点:
1.保证面内竖直方向两束分支光束于样本表面中心法线对称;
2.获取两束分支光束空间需要的尺寸用于入射角度的标定。
假定CCD镜头17中轴线方向为Z轴,通过CCD镜头17中轴线的横切水平面和纵切竖直面分别为X轴和Y轴。
加工精度要求CCD镜头17与CCD摄像机10的中轴线处于同一水平线上,保证了照射区域与采集区域的一致性,使CCD镜头17的采集方向沿Z轴方向,位于竖直平面(y-z)内。
竖直方向照射光束的调整
为了保证竖直方向的第一、第二分支光纤6、7出射端口以对称于被测物体表面法线的角度照射被测物体的表面,本装置采用两条直线构成一个平面原理、投影原理和等三角形的几何原理作为调整数学模型,将竖直方向的两照射第一、第二光束调整到准确的位置。在此,分步讲述调整过程。
第一步、两根铅垂线的共面(处于y-z面内)调整;
采用如图4(a)所示原理(两直线构成一个平面原理)调整,目的是:调整两根铅垂线使其共面,并在y-z面内。
采用图4(b)所示的样本26作为调整辅助样本。使样本26上的参考十字架成像在显示器中心。图4(a)中,将两根线通过重锤分别悬空挂在重锤支架27上,这里要保证两根线自由垂直,形成铅垂线28和29。两铅垂线28、29要在样本27表面与CCD镜头17之间且铅垂线29离样本26表面大约5毫米,铅垂线28、29间隔不宜过大,以便能得到两铅垂线清晰的成像。
只要保证两铅垂线28和29的像能够重合,即可保证两铅垂线28、29共面。
利用灯光31照射,使铅垂线28和29成像在显示屏幕上,通过调整支架27的位置使铅垂线28和29的像重合,则完成其共面(y-z面内)调整。
第二步、竖直方向上位于下端的第二分支光纤7出射端口光束的调整;
将如图4中的灯光31关闭,开启竖直方向上位于下端的第二分支光纤7,使第二分支光纤7的出射激光光束照射两根铅垂线28、29。目的是:调整第二分支光纤7出射激光光束的照射方向位于y-z面内。
采用如图5所示的原理(投影原理),因为两铅垂线28、29已经共面,只要使两铅垂线28、29的两投影同时落在y-z面内,则第二分支光纤7的出射激光光束的照射方向便落在y-z面内。
首先,观察两根铅垂线28、29的投影在显示器上面的成像位置,根据它们的投影成像在参考十字架竖直线附近的位置,调整第二分支光纤7的出射端口的空间位置,使两根铅垂线28、29的投影成像位于同一条直线并且落在样本26的表面上的参考十字架的竖直线的成像位置上。两条铅垂线28、29经第二分支光纤7的出射激光光束照射后的投影成像处于同一直线上,表明出射激光光束的照射方向位于y-z面内。
其次,调整第二分支光纤7的照射角度(光束在竖直方向上与Z轴方向的夹角),使光束中心与参考十字架交点重合。
最后,测量下端第二分支光纤7的出射端口与CCD镜头17的中轴线以及样本26的表面距离,分别记录为L1和C1。
第三步、竖直方向上位于上端的第一分支光纤6的出射端口光束的调整;
仍然采用第二分支光纤7调整原理,目的是:使第一分支光纤6的出射端口光束照射方向在y-z面内,并与第二分支光纤7的光束照射方向关于Z轴对称。
首先,挡住第二分支光纤7,打开第一分支光纤6的出射激光光束,使第一分支光纤6的出射激光光束照射两根铅垂线28、29。
其次,观察两根铅垂线28、29的投影在显示器上面的成像位置,根据它们的投影成像在参考十字架竖直线附近的位置,调整第一分支光纤6出射端口与CCD镜头17中轴线和参考物表面的距离分别为L1和C1,使光束中心与参考十字架交点重合,并使两根铅垂线28、29的投影成像位于同一条直线且落在参照物表面上的参考十字架的竖直线的成像位置上。两条铅垂线28、29经第一分支光纤6的出射激光光束照射后的投影成像处于同一直线上,表明第一分支光纤6的出射激光光束的照射方向位于y-z面内。
至此,竖直方向上下端两端第一、第二分支光纤6、7的出射端口空间位置如图6所示。
第四步、验证第一、第二分支光纤6、7的出射激光光束同在y-z面内。
开启第一、第二分支光纤6、7的出射激光光束,观察两铅垂线28、29经第一、第二分支光纤6、7同时照射后的投影在显示器上的成像位置,仍在参考十字架的竖直线成像位置处,验证调整正确。
分支光束照射角度标定
根据第一、第二分支光纤6、7的调整结果得到的空间尺寸数据,进行照射角度的标定。
竖直方向上,因为第一、第二分支光纤6、7的出射端口关于Z轴对称照射被测样本26的表面,根据图6所示的几何关系,可知其照射角度α相等,即
水平方向上,第一、第二分支光纤6、7空间位置发生旋转,但出射端口关于Z轴对称照射被测样本26的表面的角度不变,可知其照射角度θ与α相等,即
本发明的工作原理
如图1所示,激光器1提供激光光源,激光光束经过显微镜2聚焦后,通过光纤调整架3的调整使光束进入Y型光纤耦合器5的主光纤4,获得第一、第二分支光纤6、7。第一分支光纤6和第二分支光纤7分别通过旋转装置12和旋转相移装置16固定。第一、第二分支光纤6、7的出射光束在空间竖直面内并关于物体表面法线对称照射被测物体18,其中旋转相移装置16含有PZT相移器22以便将相移引入第二分支光纤7内,构成面内竖直方向变形检测系统;
通过电脑控制电控转子20的旋转,使其旋转从而带动第一分支光纤6旋转,使出射光束经过衰减片13进入分光镜14,经反射进入CCD摄像机10的接收靶面。与第二分支光纤7的出射光束构成离面方向变形检测系统。
然后将电控转子20恢复原先所处角度,使第一、第二分支光纤6、7的出射光束处于对称照射物体状态,并通过电脑控制小型电机8的旋转,通过支架9带动外环15做顺时针或逆时针90°旋转,从而使第一、第二分支光纤6、7的出射光束位于空间水平面内并关于物体表面法线对称照射被测物体18,构成面内水平方向变形检测系统。
上述系统中,数据采集操作步骤为:
首先,进行面内竖直方向(Y轴方向)变形检测,通过旋转装置12和旋转相移装置16的旋转控制,使第一、第二分支光纤6、7的出射激光光束构成面内竖直方向变形检测系统;
利用面内竖直方向变形检测系统采集变形前的四幅图像,图像之间利用与分支光纤7相连接的旋状相移装置16中的PZT相移器22引入相移,四幅图像的位相为:0、π/2、π、3π/2。
其次,进行离面方向(Z轴方向)变形检测,通过电脑控制电控转子20的旋转角度,使第一分支光纤6的出射光束经衰减片13进入分光镜14,经反射后进入CCD摄像机,与第二分支光纤7的出射激光光束构成离面方向变形检测系统。
利用离面方向变形检测系统采集变形前的四幅相移图像,图像之间利用与分支光纤7相连接的旋状相移装置16中的PZT相移器22引入相移,四幅图像的位相为:0、π/2、π、3π/2。
最后,进行面内水平方向(X轴方向)变形检测,通过电脑控制电控转子20的旋转角度,使其恢复原先所处角度,使第一、第二分支光纤6、7的出射激光光束对称照射物体18。通过电脑控制小型电机8逆时针或顺时针旋转90°,使第一、第二分支光纤6、7的出射光束位于空间水平面内并关于物体表面法线对称照射被测物体18,构成面内水平方向变形检测系统。
利用面内水平方向变形检测系统采集变形前的四幅相移图像,图像之间利用与第二分支光纤7相连接的旋状相移装置16中的PZT相移器22引入相移,四幅图像的位相为:0、π/2、π、3π/2。
将三个方向变形检测系统中变形前的散斑图像用同样的形式表示,四幅散斑图像分别表示为:IBa、IBb、IBc、IBd,即:
将三个方向变形检测系统中变形后的散斑图像用同样的形式表示,变形后采集的一幅散斑图像记为IA,即:
式中,I1(x,y)和I2(x,y)分别指物光波和参考光波的光强;φB(x,y)和φR(x,y)分别指物光波和参考光波的位相;Δφ(x,y)指变形引起的位相差。
利用“4+1”相移算法,将式(3)、(4)、(5)、(6)分别与式(7)分别相减,然后平方,取平均后,分别表示为:<IFA 2>、<IFB 2>、<IFC 2>、<IFD 2>,即:
<IFA 2>=<[IBa(x,y)-IA(x,y)]2>(8)
≈4I1(x,y)I2(x,y){1-cos[Δφ(x,y)]}
<IFB 2>=<[IBb(x,y)-IA(x,y)]2>
(9)
≈4I1(x,y)I2(x,y){1+sin[Δφ(x,y)]}
<IFC 2>=<[IBc(x,y)-IA(x,y)]2>
(10)
≈4I1(x,y)I2(x,y){1+cos[Δφ(x,y)]}
<IFD 2>=<[IBd(x,y)-IYA(x,y)]2>
(11)
≈4I1(x,y)I2(x,y){1-sin[Δφ(x,y)]}
将式(8)、(9)、(10)、(11)利用三角函数运算处理得到位相Δφ(x,y),即:
Δφ(x,y)=atan2(IFB 2-IFD 2,IFC 2-IFA 2) (12)
根据面内竖直方向位相与变形关系:
式中,α为照射光束与物体表面法线夹角,v为面内竖直方向的变形,λ为激光波长。面内水平方向的位相与变形关系:
式中,θ为照射光束与物体表面法线夹角,u为面内水平方向的变形,λ为激光波长。以及离面方向的位相与变形关系:
式中,α为照射光束与物体表面法线夹角,v为面内竖直方向的变形,w为离面方向得到三维变形的量化方程组为:
上述三个方向的变形数据的采集以及处理都经过相同的过程:从被测物体反射的光束经过CCD镜头17成像于CCD摄像机10的靶面上,进而将图像传输到计算机19进行数据处理。
Claims (4)
1.一种基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统,由一个提供光源的激光器(1)、一个带CCD摄像机(10)的图像接收系统和一个分光传光及相移系统组成,其特征在于所述的分光传光及相移系统是一个旋转Y型光纤分光传光及相移系统;所述的旋转Y型光纤分光传光及相移系统的结构是:从所述的激光器(1)来的主光纤经一个光纤调整架(3)连接一个一分二的光纤耦合器(5)输入端口,光纤耦合器(5)的输出端口连接第一、第二分支光纤(6、7)进行分光和传光:第一、第二分支光纤(6、7)的输出端口分别固定在旋转器(30)外缘上的一个旋转装置(12)和一个旋转相移装置(16)上,而其输出光束分别照射被测物体(18),其中旋转相移装置(16)上粘贴有一个PZT相移器(22),通过PZT相移器(22)的膨胀移动,带动其粘贴的第二分支光纤(7)移动,将相移引入第二光束内;所述的带CCD摄像机的图像接收系统的结构是:从所述的激光器(1)出射光束经一个显微镜(2)和光纤调整架(3),由第一分支光纤(6)传光,经旋转装置(12)控制照射角度,经过一个安置于旋转器(30)上的衰减片(13)后由分光镜(14)分光,分光镜(14)置于CCD摄像机(10)与CCD镜头(17)之间。
2.根据权利要求1所述的基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统,其特征在于所述的旋转器(30)及其连接安装结构是:由两个同心圆环,即内环(11)和外环(15)通过轴承联结组成,其外环(15)通过支架(9)与一个小型电机(8)连接,小型电机(8)与电脑(19)连接;在内环(11)固定的情况下,外环(15)在小型电机(8)的带动下,以圆心为中心顺时针或逆时针旋转,能旋转90°;在外环(15)的边缘上,有两个于圆心对称的凹形槽,分别固定旋转装置(12)和旋转相移装置(16);内环(11)为T型结构,内环(11)的内部口形槽固定分光镜(14);内环(11)的T型端面顶端有螺纹孔,旋接CCD镜头(17);T型端面底端凹槽插置CCD摄像机(10),由紧定螺钉固定定位。
3.根据权利要求1所述的基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统,其特征在于所述的旋转装置(12)的结构是:第一分支光纤(6)粘贴在一个第一光纤支撑架(25)上,第一光纤支撑架(25)通过支杆与小转子(24)连接,通过小转子(24)的旋转控制第一分支光纤(6)的照射方向;所述的旋转相移装置(16)的结构是:所述第二分支光纤(7)固定在一个光纤固定块(23)上,光纤固定块(23)与所述的PZT相移器(22)粘贴成刚性连接,然后PZT相移器(22)与一个第二光纤支撑架(21)粘贴成刚性连接,第二光纤支撑架通过支杆与电控转子(20)连接,电控转子(20)连接电脑(19)。
4.根据权利要求2所述的基于旋转Y型光纤的三维变形测量系统,其特征在于所述的CCD摄像机(10)连接一个电脑(19)。
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2007
- 2007-03-29 CN CN200710038728A patent/CN101033947B/zh not_active Expired - Fee Related
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