CN102435612B - 一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法，其通过计算压电陶瓷驱动透射玻璃位移前后投影图像的灰度差对两幅投影图像进行匹配比较以达到准确标定压电陶瓷驱动光栅移相控制电压，操作简便快速，同时由于图像采集延时与实际三维测量时图像采集的延时完全相同，即本标定方法的图像采集和光栅移动间的时间滞后与三维测量时的时间滞后是完全一样的，所以因延时而压电陶瓷蠕变带来的光栅移动误差也被考虑在内，克服了因图像采集时间不易测量而使蠕变误差不易控制的问题，故能够对压电陶瓷驱动光栅移相控制中的控制电压进行精确的标定。本发明操作简单快捷，成本低，控制电压标定误差小，标定准确。

Description

一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法
技术领域
本发明涉及一种控制电压的标定方法，特别是一种压电陶瓷驱动光栅移相中控制电压的标定方法。
背景技术
目前，在电子制造业的印刷电路板上贴片安装元器件的生产环节中，需要对印刷的锡膏进行三维体积、形状测量，以检测锡膏印刷缺陷，避免造成最终产品的不合格，光栅投影相位测量轮廓术是一种比较快速、准确的三维检测技术，该技术需要对正弦光栅进行准确的移相，这里的移相实际需要的控制位移量是微米级的，利用压电陶瓷进行移相控制可以达到光栅投影相位测量轮廓术中对正弦光栅移相所要求的精度、速度和位移量程。但是压电陶瓷的控制电压与产生的驱动位移之间是非线性关系，关系曲线在上升电压与下降电压时还不重合，如图2所示；另外，压电陶瓷还存在一定的蠕变，即控制电压停止变化后，压电陶瓷还会存在微小的位移变化，如图3所示。为此，结合具体应用环境下的压电陶瓷控制电压由于所述的非线性和蠕变的影响而往往很难加以准确标定，从而严重的影响到三维测量的精度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种将三维测量时使用的周期为T的正弦光栅换为周期为T/4的标定正弦光栅作为标定光栅，通过计算压电陶瓷驱动透射玻璃位移前后投影图像的灰度差对两幅投影图像进行匹配比较以达到准确标定压电陶瓷驱动光栅移相控制电压的压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法，其方法步骤如下：
A、将透射玻璃上三维测量时使用的周期为T的正弦光栅换为周期为T/4的标定正弦光栅；
B、打开投影光源，在控制电压为0下，透射玻璃上的正弦光栅经投影镜头在主体座的上表面形成灰度呈正弦变化的光栅投影图像；
C、用数字相机采集步骤B中控制电压为0情况下的正弦光栅投影图像                                                
Figure 2011103706018100002DEST_PATH_IMAGE001
，x，y分别表示采集到的数字图像上的像素行、列位置；
D、改变控制电压为近似原来控制透射玻璃移相p /2的电压，即以压电陶瓷驱动透射玻璃移相T/4的标称控制电压V1控制压电陶瓷驱动透射玻璃带动周期为T/4的标定正弦光栅作微米级移动；
E、用数字相机再次采集步骤D中投影光源照射移动后的透射玻璃产生的正弦光栅投影图像
Figure 2011103706018100002DEST_PATH_IMAGE002
；
F、对步骤C和E中采集到的两幅图像进行图像匹配比较，计算两图像的灰度差：
Figure 2011103706018100002DEST_PATH_IMAGE003
    （*），此公式在两图像的灰度值相等即
Figure 65197DEST_PATH_IMAGE001
等于
Figure 982338DEST_PATH_IMAGE002
时取得极小值，此时透射玻璃移动前后的两投影图像完全重合；
G、对控制电压V1进行微调，重新采集透射玻璃移动后的投影图像，并按公式（*）再次计算步骤C和本步骤中两图像的灰度差值，如果差值同步骤F相比有下降，则按照该调整方法继续调整，直至使按公式（*）计算的压电陶瓷驱动透射玻璃移动前后的投影图像间灰度差取得极小值，此时的控制电压即为使三维测量时透射玻璃即正弦光栅准确位移T/4的控制电压。作为上述技术方案的进一步改进，所述方法还包括重复步骤A-G，分别在压电陶瓷驱动透射玻璃移相T/2、3T/4的标称控制电压附近调整控制电压，使按公式（*）计算得到的图像灰度差值取得极小值，就可以分别标定得到三维测量时压电陶瓷驱动透射玻璃即正弦光栅准确位移T/2、3T/4的控制电压。
本发明的有益效果是：本发明在使用原三维测量系统设备时，只需将投影正弦光栅替换为周期为三维测量时使用的正弦光栅的正弦周期1/4的正弦光栅，通过计算压电陶瓷驱动透射玻璃位移前后投影图像的灰度差对两幅投影图像进行匹配比较以达到准确标定压电陶瓷驱动光栅移相控制电压，操作简便快速，同时由于图像采集延时与实际三维测量时图像采集的延时完全相同，即本标定方法的图像采集和光栅移动间的时间滞后与三维测量时的时间滞后是完全一样的，所以因延时而压电陶瓷蠕变带来的光栅移动误差也被考虑在内，克服了因图像采集时间不易测量而使蠕变误差不易控制的问题，故能够对压电陶瓷驱动光栅移相控制中的控制电压进行精确的标定。本发明操作简单快捷，成本低，控制电压标定误差小，标定准确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明中所使用的三维测量系统设备结构示意图；
图2是标定得到的压电陶瓷电压控制曲线；
图3是压电陶瓷在上升电压作用下位移到50 mm后的蠕变示意图；
图4是数字相机采集到的在白纸上产生的光栅图像。
其中，图1中1是透射玻璃，2是投影光源，3是投影镜头，4是数字相机，5是压电陶瓷，6是主体座；图4中A是透射玻璃移动前采集到的投影图像，B是透射玻璃在标称控制电压V1驱动下移动后的投影图像，A和B两图像的灰度都呈正弦变化。
具体实施方式
参照图1至图4，本发明的一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法，其方法步骤如下：
A、将透射玻璃1上三维测量时使用的周期为T的正弦光栅换为周期为T/4的标定正弦光栅；三维测量时采用周期为T的正弦光栅，结合具体的测量范围，周期T可取在100~500 μm的范围内，三维测量时需要标定压电陶瓷控制周期为T的正弦光栅移相0、p/2、p和3p/2，即相当于标定周期为T/4的正弦光栅移相0、2p、4p和6p，或者说相当于移动了标定正弦光栅周期的整数倍，如果压电控制电压准确，那么采集到的光栅在这四个相位的图像应该完全相同或者说能够完全重合匹配，因此，比较移相前后采集到的投影图像，就可以知道控制电压的偏差，调整控制电压后重新采集投影图像，直到移相前后的图像是最佳匹配，这样得到的控制电压即为压电陶瓷控制光栅移相的准确控制电压，所以此处将三维测量时使用的周期为T的正弦光栅换为周期为T/4的标定正弦光栅，当控制电压驱动透射玻璃1移相T/4时，透射玻璃1上周期为T/4的标定正弦光栅即移相一个周期。透射玻璃1属于三维测量系统设备的投影模块，三位测量系统设备有三部分组成：a.投影模块，包括透射玻璃1、投影光源2以及投影镜头3；b.驱动模块，包括控制透射玻璃1移动的压电陶瓷5和驱动压电陶瓷移动的由计算机控制的驱动电源；c.图像采集部分，包括由计算机控制的数字相机4。三维测量系统设备的投影模块等三个模块全部安装在主体座6上，在投影光源2照射下，经投影镜头3所成的灰度呈正弦变化的投影图像成像于主体座1的上表面，主体座1的上表面搁置有用于增强图像效果的白纸；
B、打开投影光源2，在控制电压为0下，透射玻璃1上的标定正弦光栅经投影镜头3在主体座6的上表面形成灰度呈正弦变化的光栅投影图像，如图4中的A所示；
C、用数字相机4采集步骤B中控制电压为0情况下的正弦光栅投影图像，x，y分别表示采集到的数字图像上的像素行、列位置；数字相机4可以为CCD数字相机或CMOS数字相机；
D、改变控制电压为近似原来控制透射玻璃1移相p/2的电压，即以压电陶瓷5驱动透射玻璃1移相T/4的标称控制电压V1控制压电陶瓷5驱动透射玻璃1带动周期为T/4的标定正弦光栅作微米级移动；
E、用数字相机4再次采集步骤D中投影光源2照射移动后的透射玻璃1产生的正弦光栅投影图像
Figure 157284DEST_PATH_IMAGE002
；
F、对步骤C和E中采集到的两幅图像进行图像匹配比较，计算两图像的灰度差：
Figure 994544DEST_PATH_IMAGE003
    （*）；此公式在两图像的灰度值相等即等于
Figure 84040DEST_PATH_IMAGE002
时取得极小值，此时透射玻璃1移动前后的两投影图像A和B完全重合；
G、对控制电压V1进行微调，重新采集透射玻璃1移动后的投影图像，并按公式（*）再次计算步骤C和本步骤中两图像的灰度差值，如果差值同步骤F中有下降，则按照该调整方法继续调整，直至使按公式（*）计算的压电陶瓷5驱动透射玻璃1移动前后的投影图像的灰度差取得极小值，此时的控制电压即为使三维测量时正弦光栅准确位移T/4的控制电压。
作为上述技术方案的近一步改进，所述方法还包括重复步骤A-G，分别在压电陶瓷驱动移相T/2、3T/4的标称控制电压附近调整控制电压，使按公式（*）计算得到的图像灰度差值取得极小值，就可以分别标定得到三维测量时压电陶瓷驱动正弦光栅准确位移T/2、3T/4的控制电压。
本发明在使用原三维测量系统设备时，只需将投影正弦光栅替换为周期为三维测量时使用的正弦光栅的正弦周期1/4的正弦光栅，通过计算压电陶瓷驱动透射玻璃位移前后投影图像的灰度差对两幅投影图像进行匹配比较以达到准确标定压电陶瓷驱动光栅移相控制电压，操作简便快速，同时由于图像采集延时与实际三维测量时图像采集的延时完全相同，即本标定方法的图像采集和光栅移动间的时间滞后与三维测量时的时间滞后是完全一样的，所以因延时而压电陶瓷蠕变带来的光栅移动误差也被考虑在内，克服了因图像采集时间不易测量而使蠕变误差不易控制的问题，故能够对压电陶瓷驱动光栅移相控制中的控制电压进行精确的标定。本发明操作简单快捷，成本低，控制电压标定误差小，标定准确。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法，其特征在于：方法步骤如下：
A、将透射玻璃（1）上三维测量时使用的周期为T的正弦光栅换为周期为T/4的标定正弦光栅；
B、打开投影光源（2），在控制电压为0下，透射玻璃（1）上的正弦光栅经投影镜头（3）在主体座（6）的上表面形成灰度呈正弦变化的光栅投影图像；
C、用数字相机（4）采集步骤B中控制电压为0情况下的正弦光栅投影图像                                                
Figure 2011103706018100001DEST_PATH_IMAGE001
，x，y分别表示采集到的数字图像上的像素行、列位置；
D、改变控制电压为近似原来控制透射玻璃（1）移相p/2的电压，即以压电陶瓷（5）驱动透射玻璃（1）移相T/4的标称控制电压V1控制压电陶瓷（5）驱动透射玻璃（1）带动周期为T/4的标定正弦光栅作微米级移动；
E、用数字相机（4）再次采集步骤D中投影光源（2）照射移动后的透射玻璃（1）产生的正弦光栅投影图像
Figure 2011103706018100001DEST_PATH_IMAGE002
；
F、对步骤C和E中采集到的两幅图像进行图像匹配比较，计算两图像的灰度差：      （*），此公式在两图像的灰度值相等即
Figure 803814DEST_PATH_IMAGE001
等于
Figure 472693DEST_PATH_IMAGE002
时取得极小值，此时透射玻璃（1）移动前后的两投影图像完全重合；
G、对控制电压V1进行微调，重新采集透射玻璃（1）移动后的投影图像，并按公式（*）再次计算步骤C和本步骤中两图像的灰度差值，如果差值同步骤F相比有下降，则按照该调整方法继续调整，直至使按公式（*）计算的压电陶瓷（5）驱动透射玻璃（1）移动前后的投影图像间灰度差取得极小值，此时的控制电压即为使三维测量时透射玻璃（1）即正弦光栅准确位移T/4的控制电压。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷驱动光栅移相控制中控制电压的标定方法，其特征在于：所述方法还包括重复步骤A-G，分别在压电陶瓷（5）驱动透射玻璃（1）移相T/2、3T/4的标称控制电压附近调整控制电压，使按公式（*）计算得到的图像灰度差值取得极小值，就可以分别标定得到三维测量时压电陶瓷驱动透射玻璃（1）即正弦光栅准确位移T/2、3T/4的控制电压。
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