CN101900529B - 基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法 - Google Patents

基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法，涉及精密检测技术领域，所解决的是提高测量精度的技术问题。该方法先将测量光斑像与基准光斑像进行比较，计算出被测物体的位移误差曲线函数；再根据测量光斑像在光接收器件上的位置，计算出被测物体的位移信息；然后根据被测物体的位移误差曲线函数，对被测物体的位移信息进行补偿，得出被测物体的最终位移测量结果。本发明提供的方法，能够对被测物体表面的各种物面倾斜所引起的测量误差进行自适应的误差补偿，能提高测量精度。

Description

基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法
技术领域
本发明涉及精密检测的技术，特别是涉及一种基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法的技术。
背景技术
光束三角位移测量方法因为其非接触、适用范围广，得到越来越广泛的应用。现有光束三角位移测量方法在测量时，都假定被测物体的物面与光束照射方向及接收透镜轴线所在平面成固定角度，但是当被测物体的物面中存在倾斜于假定物面的倾斜物面时，倾斜物面所反射的光线会偏离预想方向。
根据测量实验结果表明，倾斜物面会使光斑像信号产生不对称分布变化和光斑宽度变化，从而引起光斑像在光接收器件上的定位偏移，使得测得的位移结果产生误差。如图4、图5所示，图4中的I1轴为光强幅值轴线，H1轴为位置轴线，曲线41为理论上的光斑像信号的光强变化曲线，曲线42为实测光斑像信号的光强变化曲线，从该图可以看出实测光斑像信号产生了明显的不对称分布变化；图5为被测物面倾斜引起光斑像信号产生宽度分布变化的示意图，该图中的I2轴为光强幅值轴线，H2轴为位置轴线，曲线51为理论上的光斑像信号的光强变化曲线，曲线52为实测光斑像信号的光强变化曲线，从该图可以看出实测光斑像信号产生了明显的宽度分布变化。
根据实验结果，在相同位移状况下，倾斜物面相对于被假定物面的倾斜度不同，测得的位移结果也是不一致的，显然在测量过程中倾斜的存在会产生误差，特别是物面在不同倾斜角度交错检测的时候，误差更加明显；实验结果如图3所示，图3中的311、321、331、341为发射检测光束的光源，312、322、332、342为四种具有倾斜物面的被测物体；图3中的图3a为被测物体的物面与光束照射方向及接收透镜轴线所在平面成固定角度的情况，图3b、图3c、图3d为被测物体的物面中存在倾斜于假定物面的倾斜物面的几种典型情况，倾斜物面相对于假定物面的倾斜方向分为两种，分别为图3b所示的情况和图3c所示的情况，图3d所示的情况为图3b与图3c两种情况的结合；图3a’、图3b’、图3c’、图3d’分别为图3a、图3b、图3c、图3d四种情况的测量结果，其中在图3a’、图3b’、图3c’、图3d’中的实线为测量测量结果，虚线为被测物体的实际尺寸；如图3a’所示，在图3a所示的被测物体的物面与检测光束照射方向及接收透镜轴线所在平面成固定角度的情况下测量误差相对较小，而图3b、图3c、图3d所示的三种被测物体的物面中存在倾斜于假定物面的倾斜物面的情况下测量误相对较大；
由此可见，现有光束三角位移测量方法的测量结果很容易受被测物体表面倾斜度的干扰，因此其检测精度不高。目前还没有有效的方法消除物面倾斜产生的测量误差。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高测量精度的基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法，包括由光发射器件、光学镜组和光接收器件组成的基于光束三角的位移测量装置，其特征在于，具体步骤如下：
A)用光发射器件向平面发射光束，用光学镜组将平面反射的光束聚焦成光斑像，并用光接收器件接收该光斑像，将其标记为基准光斑像；
B)用光发射器件向被测物体表面发射光束，用光学镜组将被测物体表面反射的光束聚焦成光斑像，并用光接收器件接收该光斑像，将其标记为测量光斑像；
C)将测量光斑像与基准光斑像进行比较，计算出被测物体的位移误差曲线函数；
D)根据测量光斑像在光接收器件上的位置，计算出被测物体的位移信息；
E)根据步骤C计算出的被测物体的位移误差曲线函数，对步骤D计算出的被测物体的位移信息进行补偿，得出被测物体的最终位移测量结果。
进一步的，所述步骤C中计算被测物体位移误差曲线函数的步骤如下：
1)设定一个二维坐标轴，该二维坐标轴的纵轴为光强幅值轴线，横轴为位置轴线；
2)在步骤1所设定的二维坐标轴上，得出基准光斑像的光强幅值沿位置轴线变化的光强变化曲线，及测量光斑像的光强幅值沿位置轴线变化的光强变化曲线；
3)得出测量光斑像的宽度误差曲线函数和不对称程度误差曲线函数分别为：
f(dw)＝W2-W1；
f(dp)＝P2-P1；
式中：W2＝|W23-W21|，P2＝|(W21-W22)/(W23-W21)|；
式中：W1＝|W13-W11|，P1＝|(W11-W12)/(W13-W11)|；
其中，f(dw)为测量光斑像的宽度误差曲线函数，f(dp)为测量光斑像的不对称程度误差曲线函数；
其中，W2是光强幅值为W时测量光斑像的宽度，W1是光强幅值为W时基准光斑像的宽度，P2是光强幅值为W时测量光斑像的不对称程度，P1是光强幅值为W时基准光斑像的不对称程度，W为测量光斑像的光强变化曲线上的一个点的光强幅值；
其中，W21为测量光斑像的光强变化曲线上的光强峰值点的位置值，W22和W23为测量光斑像的光强变化曲线上的两个光强幅值均为W的点的位置值；
其中，W11为基准光斑像的光强变化曲线上的光强峰值点的位置值，W12和W13为基准光斑像的光强变化曲线上的两个光强幅值均为W的点的位置值；
4)得出测量光斑像的位移误差曲线函数为：
f(dx)＝f(dw)+f(dp)；
其中，f(dx)为测量光斑像的位移误差曲线函数。
进一步的，测量光斑像的位移误差曲线函数简化为：
f(dx)＝A1·f(dp)+B1；
其中，A1和B1均为常数。
本发明提供的基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法，先通过将测量光斑像与基准光斑像进行比较，计算出被测物体的位移误差曲线函数，再根据被测物体的位移误差曲线函数，对测量到的被测物体的位移信息进行补偿，最终得出被测物体的位移测量结果，因此能够对被测物体表面的各种物面倾斜所引起的测量误差进行自适应的误差补偿，能提高测量精度。
附图说明
图1是现有基于光束三角的位移测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法中，计算基准光斑像的宽度和不对称程度的示意图；
图3是被测物体的物面倾斜引起测量误差的示意图；
图4是被测物面倾斜引起光斑像信号产生不对称分布变化的示意图；
图5是被测物面倾斜引起光斑像信号产生宽度分布变化的示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1-图2所示，本发明实施例所提供的一种基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法，包括由光发射器件、光学镜组和光接收器件组成的基于光束三角的位移测量装置，其特征在于，具体步骤如下：
A)用光发射器件向平面发射光束，用光学镜组将平面反射的光束聚焦成光斑像，并用光接收器件接收该光斑像，将其标记为基准光斑像；
B)用光发射器件向被测物体表面发射光束，用光学镜组将被测物体表面反射的光束聚焦成光斑像，并用光接收器件接收该光斑像，将其标记为测量光斑像；
C)将测量光斑像与基准光斑像进行比较，计算出被测物体的位移误差曲线函数；
D)根据测量光斑像在光接收器件上的位置，计算出被测物体的位移信息；
E)根据步骤C计算出的被测物体的位移误差曲线函数，对步骤D计算出的被测物体的位移信息进行补偿，得出被测物体的最终位移测量结果。
如图2所示，本发明实施例中，所述步骤C中计算被测物体位移误差曲线函数的步骤如下：
1)设定一个二维坐标轴，该二维坐标轴的纵轴(I轴)为光强幅值轴线，横轴(H轴)为位置轴线；
2)在步骤1所设定的二维坐标轴上，得出基准光斑像的光强幅值沿位置轴线变化的光强变化曲线，及测量光斑像的光强幅值沿位置轴线变化的光强变化曲线；
3)得出测量光斑像的宽度误差曲线函数和不对称程度误差曲线函数分别为：
f(dw)＝W2-W1；
f(dp)＝P2-P1；
式中：W2＝|W23-W21|，P2＝|(W21-W22)/(W23-W21)|；
式中：W1＝|W13-W11|，P1＝|(W11-W12)/(W13-W11)|；
其中，f(dw)为测量光斑像的宽度误差曲线函数，f(dp)为测量光斑像的不对称程度误差曲线函数；
其中，W2是光强幅值为W时测量光斑像的宽度，W1是光强幅值为W时基准光斑像的宽度，P2是光强幅值为W时测量光斑像的不对称程度，P1是光强幅值为W时基准光斑像的不对称程度，W为测量光斑像的光强变化曲线上的一个点的光强幅值；
其中，W21为测量光斑像的光强变化曲线上的光强峰值点的位置值，W22和W23为测量光斑像的光强变化曲线上的两个光强幅值均为W的点的位置值；
其中，W11为基准光斑像的光强变化曲线上的光强峰值点的位置值，W12和W13为基准光斑像的光强变化曲线上的两个光强幅值均为W的点的位置值；
4)得出测量光斑像的位移误差曲线函数为：
f(dx)＝f(dw)+f(dp)；
其中，f(dx)为测量光斑像的位移误差曲线函数。
本发明实施例中，为了获得更快的运算速度，测量光斑像的位移误差曲线函数可简化为：
f(dx)＝A1·f(dp)+B1；
其中，A1和B1均为常数。
如图1所示，本发明实施例中，由光发射器件10、光学镜组13和光接收器件14组成的基于光束三角的位移测量装置为现有技术，该装置测量被测物体的基本原理是：光发射器件10通过一透镜11发出一条检测光束，照射到被测物体12表面形成光斑，该光斑通过光学镜组13在光接收器件14上成像，由于光斑像在光接收器件14上的位置是随被测物体的位移而变化的，因此通过识别光斑像在光接收器件14上的位置，即可得到被测物体的位移。

Claims (2)

1.一种基于光束三角的倾斜自适应位移测量方法，包括由光发射器件、光学镜组和光接收器件组成的基于光束三角的位移测量装置，其特征在于，具体步骤如下：
A)用光发射器件向平面发射光束，用光学镜组将平面反射的光束聚焦成光斑像，并用光接收器件接收该光斑像，将其标记为基准光斑像；
B)用光发射器件向被测物体表面发射光束，用光学镜组将被测物体表面反射的光束聚焦成光斑像，并用光接收器件接收该光斑像，将其标记为测量光斑像；
C)将测量光斑像与基准光斑像进行比较，计算出被测物体的位移误差曲线函数；
所述的计算被测物体位移误差曲线函数的步骤如下：
1)设定一个二维坐标轴，该二维坐标轴的纵轴为光强幅值轴线，横轴为位置轴线；
2)在步骤1）所设定的二维坐标轴上，得出基准光斑像的光强幅值沿位置轴线变化的光强变化曲线，及测量光斑像的光强幅值沿位置轴线变化的光强变化曲线；
3)得出测量光斑像的宽度误差曲线函数和不对称程度误差曲线函数分别为：
f(dw)＝W2-W1；
f(dp)＝P2-P1；
式中：W2＝|W23-W21|，P2＝|(W21-W22)/(W23-W21)|；
式中：W1＝|W13-W11|，P1＝|(W11-W12)/(W13-W11)|；
其中，f(dw)为测量光斑像的宽度误差曲线函数，f(dp)为测量光斑像的不对称程度误差曲线函数；
其中，W2是光强幅值为W时测量光斑像的宽度，W1是光强幅值为W时基准光斑像的宽度，P2是光强幅值为W时测量光斑像的不对称程度，P1是光强幅值为W时基准光斑像的不对称程度，W为测量光斑像的光强变化曲线上的一个点的光强幅 值；
其中，W21为测量光斑像的光强变化曲线上的光强峰值点的位置值，W22和W23为测量光斑像的光强变化曲线上的两个光强幅值均为W的点的位置值；
其中，W11为基准光斑像的光强变化曲线上的光强峰值点的位置值，W12和W13为基准光斑像的光强变化曲线上的两个光强幅值均为W的点的位置值；
4)得出测量光斑像的位移误差曲线函数为：
f(dx)＝f(dw)+f(dp)；
其中，f(dx)为测量光斑像的位移误差曲线函数；
D)根据测量光斑像在光接收器件上的位置，计算出被测物体的位移信息；
E)根据步骤C计算出的被测物体的位移误差曲线函数，对步骤D计算出的被测物体的位移信息进行补偿，得出被测物体的最终位移测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量光斑像的位移误差曲线函数简化为：
f(dx)＝A1·f(dp)+B1；
其中，A1和B1均为常数。 
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