CN105910541A - 一种用于测量物件尺寸的测量装置和测量方法 - Google Patents

一种用于测量物件尺寸的测量装置和测量方法 Download PDF

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谭晓军
杜勇刚
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Abstract

本发明涉及一种用于测量物件尺寸的测量装置和测量方法。测量装置包括：光源，用以产生低相干光；光纤耦合器，用于实现光信号的分路和合路；光纤，用于传输光信号；载物装置，用于盛放被测物；检测光纤准直仪，用于将光纤的光投射到载物装置的基准面或位于载物装置的被测物，以及将载物装置的基准面或被测物反射的光耦合至光纤内；光路反射装置，可改变光程且将光信号原路反射；光信号检测处理装置，用于检测光信号是否发生干涉，并与光路反射装置连接，计算两次发生干涉时光程的改变量。本发明取得的有益效果：根据低相干光的干涉特性调整参考光程，通过光程差得出被测物厚度，该测量装置、方法简单且精度高。

Description

一种用于测量物件尺寸的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量物件尺寸的测量装置和测量方法。
背景技术
在测量物件尺寸时，现代加工制造业中已有多种方法、设备用于测量物件的高度或厚度，其中较为广泛使用的主要是两种方法，一种是通过触头划过物件表面检测，如高度规；这种测量方法容易产生划痕，且精度差；另一种是使用远心镜头从被测物件侧面检测高度差；这种方法应用上受很大限制，尤其是无法测量孔内阶级的高度差。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中：目前工业测量的精度低的技术问题，提供一种测量装置，该测量装置测量精度高，且测量方便。
用于测量物件尺寸的测量装置，包括：
光源，用以产生低相干光；
光纤耦合器，用于实现光信号的分路和合路；
光纤，用于传输光信号；
载物装置，用于盛放被测物；
检测光纤准直仪，用于将光纤的光投射到载物装置的基准面或位于载物装置的被测物，以及将载物装置的基准面或被测物反射的光耦合至光纤内；
光路反射装置，可改变光程且将光信号原路反射；
光信号检测处理装置，用于检测光信号是否发生干涉，并与光路反射装置连接，计算两次发生干涉时光程的改变量。
进一步地，所述光路反射装置包括反射光纤准直仪、可转动的棱镜装置以及反射镜；光信号通过反射光纤准直仪投射到棱镜装置上，通过棱镜装置再垂直投射到反射镜上，光信号到达反射镜反射形成反射光信号，反射光信号原路返回。
再进一步地，所述棱镜装置包括棱镜以及旋转装置，棱镜固定于旋转装置。
优选地，旋转装置包括旋转台和驱动旋转台旋转的伺服电机。
进一步地，光路反射装置包括反射光纤准直仪、反射镜以及线性模组，反射镜固定于线性模组。
进一步地，所述载物装置包括载物装置以及用于驱动载物装置水平移动的水平移动机构。
进一步地，光信号检测处理装置包括：用于探测干涉数据的探测器、数据采集卡以及控制器。光纤耦合器、探测器、数据采集卡和控制器依次连接。控制器可以为电脑、IPAD等。
进一步地，还包括IO电路和伺服驱动器，伺服驱动器与伺服电机连接，数据采集卡通过IO电路与伺服驱动器连接。
再进一步地，测量装置还包括支架。
一种测量方法，包括：
光源发出的光信号通过光纤耦合器形成两路光路；分别为检测光路和参考光路；
当被测物为非透明物体时：
检测光路的光信号投射到载物装置的基准面，形成检测光信号并反射回光纤耦合器；
参考光路的光信号投射到可改变光程的光路反射装置，光路反射装置将光信号反射形成参考光信号；参考光信号原路返回至光纤耦合器；
提取光纤耦合器的检测光信号和参考光信号，同时调节光路反射装置，使得使得检测光信号和参考光信号发生干涉；
将被测物放置载物装置，再次提取光纤耦合器的检测光信号，同时调节光路反射装置改变光程，使得检测光信号和参考光信号发生干涉；光程的改变量即为被测物的厚度；
当被测物为透明物体时：
检测光路的光信号投射到载物装置的被测物，光信号被测物的不同高度的表面反射，形成与表面对应的检测光信号，检测光信号反射回光纤耦合器；
参考光路的光信号投射到可改变光程的光路反射装置，光路反射装置将光信号反射形成参考光信号；参考光信号原路返回至光纤耦合器；
提取光纤耦合器的检测光信号和参考光信号，同时调节光路反射装置，使得检测光信号和参考光信号发生干涉；两次干涉所对应的光程改变量，与被测物相应的两个表面高度差成正比，且比例系数为被测物的折射率。
进一步地，光路反射装置包括反射光纤准直仪、可转动的棱镜装置以及反射镜；光信号通过反射光纤准直仪投射到棱镜装置上，通过棱镜装置再垂直投射到反射镜上，光信号到达反射镜反射形成反射光信号，反射光信号原路返回。
再进一步地，反射镜、反射光纤准直仪设置于棱镜装置的棱镜的同一侧，反射光纤准直仪的出射光线方向与从棱镜折射出的光线方向平行；优选地，棱镜为正方体，即棱镜的横截面为正方形；棱镜的边长为a，折射率为n，棱镜在初始位置时，反射光纤准直仪投射的光线垂直投射到棱镜；棱镜绕中心轴旋转，旋转角度为α；反射光纤准直仪投射的光线距离棱镜的中心距离为b，令d1=(a/2)*tan(α/2)；△L1=(b-d1)*tan（α）；d2=(b-d1)/cos(α)，d3=a/2+d1-d2；光线从反射光纤准直仪进入棱镜的折射角为β，则β=arcsin(sin(α)/n),且令：t1=d3/sin(β),t3=a/cos(β),d4=d3/tan(β),
t2=(a-d4)/cos(β),d5=(a-d4)*tan(β),d6=d2+d3-d5-t3*sin(β),
△L2=d6*sin(α/2)；光路反射装置内的单向光程变量为：△L=f(α)=△L1+(t1+t2+t3)*n+△L2；两次干涉的光程的改变量：△T=2【f(α1)- f(α0)】,其中α0表示第N次发生干涉时，棱镜装置旋转的角度；α1表示载物装置第N+1次发生干涉时，棱镜装置旋转的角度，N为自然数。
再进一步地，棱镜装置包括旋转台、伺服电机以及伺服驱动器，伺服电机与旋转台驱动连接，伺服驱动器与伺服电机连接；伺服驱动器的脉冲驱动信号与旋转角度成比例，m=kα，k为比例系数；则△L=f(（1/k）m)，m表述脉冲数，△T=2【f(（1/k）m1)- f(（1/k）m0)】，其中m1表示发生第N+1发生干涉时载物装置时，伺服驱动器发出的脉冲数量；m0第N次发生干涉载物装置时，伺服驱动器发出的脉冲数量。
本发明取得的有益效果：根据低相干光的干涉特性，当两路光光程相等时，就会产生干涉，进而通过调整参考光程使得再次发生干涉，即可得到被测物的厚度，该测量装置、方法简单且精度高。
附图说明
图1为本发明的测量装置的示意图。
图2为本发明的测量原理示意图；
图3为本发明的光路反射装置工作示意图。
附图标记说明：
1——光源；2——光纤耦合器；3——探测器；4——光纤；5——控制器；6——旋转台；7——棱镜；8——反射光纤准直仪；9——检测光纤准直仪；10——支架；11——载物装置；12——反射镜。
具体实施方式
实施例1：参见图1至图3；用于测量物件尺寸的测量装置，包括：
光源1，用以产生低相干光；
光纤耦合器2，用于实现光信号的分路和合路；
光纤4，用于传输光信号；
载物装置11，用于盛放被测物；
检测光纤准直仪9，用于将光纤4的光投射到载物装置11，以及将载物装置11或被测物反射的光耦合至光纤4内；
光路反射装置，可改变光程且将光信号原路反射；
光信号检测处理装置，用于检测光信号是否发生干涉，
并与光路反射装置连接，用于检测光信号是否发生干涉，并与光路反射装置连接，计算两次发生干涉时光程的改变量。光源1发出的光信号经过光纤4传输至光纤耦合器2，光纤耦合器2将光信号一分为二，其中一路光信号通过光纤4传输至检测光纤准直仪9，检测光纤准直仪9将光信号投射至载物装置11的基准面或被测物上，光信号反射至光纤准直仪并形成检测光信号，检测光信号再经过光纤4逆向传输至光纤耦合器2，并通过光纤耦合器2传输至光信号检测处理装置；另一路光信号通过光纤4传输至光路反射装置，光路反射装置生成反射光信号，反射光信号通过光纤4、光纤耦合器2传输至光信号检测处理装置，光信号检测处理装置调整光路反射装置的光程，以使得反射光信号和检测光信号能够发生干涉，并计算两次发生干涉时光程的改变量。根据光程的改变推算出物件的厚度。具体操作时：如果被测物为非透明物体，先将载物装置11清空（当然也可以放置已知尺寸的参考物件），光路反射装置调整至初始位置，此时检测光信号和反射光信号可以发生干涉。然后将被测物件放置于载物装置11上，光信号检测处理装置控制光路反射装置改变光程，已达到检测光信号和反射光信号再次实现干涉。光程的改变量就是被测物的厚度。如果被测物为透明物体，直接将被测物放置于载物装置11上，此时被测物不同高度的表面均有检测光信号反射，在检测光信号与反射光信号发生干涉时，会出现多个干涉情况，此时两个干涉所对应的光程差，与相应的两个高度差表面间距成正比，h=nL；n这里为折射率，h为高度差，L为光程差；连续的光程差与连续的表面高度差相对应，因此可以算出被测透明物体的各个表面高度差。
进一步地，所述光路反射装置包括反射光纤准直仪8、可转动的棱镜装置以及反射镜12；光信号通过反射光纤准直仪8投射到棱镜装置上，通过棱镜装置再垂直投射到反射镜12上，光信号到达反射镜12反射形成反射光信号，反射光信号原路返回。
这里采用棱镜装置来改变光程，棱镜装置在旋转过程中，光的入射角度改变后，光信号在棱镜7中的光程发生改变，进而改变反射路径的光程。
当然作为光路反射装置的另一种设计：包括反射光纤准直仪8和反射镜12，反射镜12固定于线性模组上，通过线性模组的移动来改变光程。线性模组优选为：丝杠螺母装置，反射镜12固定于螺母上，丝杠与电极驱动连接。当然也可以将反射镜12替换为反光棱镜。
再进一步地，所述棱镜装置包括棱镜7以及旋转装置，棱镜7固定于旋转装置。
优选地，旋转装置包括旋转台6和驱动旋转台6旋转的伺服电机。当然旋转装置也可以为其他结构。在光信号投射时，光信号从棱镜7的侧面进行投射，优选地，棱镜7的横截面为正多边形，正多边形的中心与旋转装置的旋转轴重合。再优选地，正多边形与反射光纤准直仪8呈偏心设置，即反射光纤准直仪8的投射方向不经过棱镜7的中心，甚至远离中心。当然，棱镜7也可以为正方体。
进一步地，所述载物装置11包括载物装置以及用于驱动载物装置水平移动的水平移动机构。
为了方便检测光纤准直仪9对准被测物，被测物需要进行位置调整，因此设置了水平移动机构，水平移动机构可以驱动载物装置进行XY方向的移动，该技术为现有技术。
进一步地，光信号检测处理装置包括：用于探测干涉数据的探测器3、数据采集卡以及控制器5。光纤耦合器2、探测器3、数据采集卡和控制器5依次连接。控制器5可以为电脑、IPAD等。
探测器3获取光纤耦合器2内的反射光信号、检测光信号的干涉数据；将两束光信号的数据转成数字信号并传输至数据采集卡上，再由数据采集卡传输控制器5；控制器5根据干涉状态向旋转装置发出控制信号，如向旋转装置的伺服电机的伺服驱动器发送驱动信号，使得使得两束光信号发生干涉。干涉原理采用低相干光干涉原理。
进一步地，还包括IO电路和伺服驱动器，伺服驱动器与伺服电机连接，数据采集卡通过IO电路与伺服驱动器连接。
由于旋转台6受伺服电机驱动，因此旋转角度与伺服驱动器的驱动脉冲相关，控制器5只需要控制伺服驱动器向伺服电机发送的脉冲数量便可以控制旋转台6的旋转角度，操控方便。
再进一步地，测量装置还包括支架10。
支架10用于支撑各种装置以及固定。
实施例2：参见图1、图2、图3。一种测量方法，包括：
光源1发出的光信号通过光纤耦合器2形成两路光路；分别为检测光路和参考光路；
当被测物为非透明物体时：
检测光路的光信号投射到载物装置的基准面，形成检测光信号并反射回光纤耦合器2；
参考光路的光信号投射到可改变光程的光路反射装置，光路反射装置将光信号反射形成参考光信号；参考光信号原路返回至光纤耦合器2；
提取光纤耦合器的检测光信号和参考光信号，同时调节光路反射装置，使得使得检测光信号和参考光信号发生干涉；
当被测物为非透明物体时：
将被测物放置载物装置，再次提取光纤耦合器2的检测光信号，同时调节光路反射装置改变光程，使得检测光信号和参考光信号发生干涉；光程的改变量即为被测物的厚度。
当被测物为透明物体时：
检测光路的光信号投射到载物装置的被测物，光信号被测物的不同高度的表面反射，形成与表面对应的检测光信号，检测光信号反射回光纤耦合器；
参考光路的光信号投射到可改变光程的光路反射装置，光路反射装置将光信号反射形成参考光信号；参考光信号原路返回至光纤耦合器；
提取光纤耦合器的检测光信号和参考光信号，同时调节光路反射装置，使得检测光信号和参考光信号发生干涉；两次干涉所对应的光程改变量，与被测物相应的两个表面高度差成正比，且比例系数为被测物的折射率。
当两束光信号再次发生干涉时，则两路光程的改变量相当。实施例2可采用实施例1的装置。
进一步地，光路反射装置包括反射光纤准直仪8、可转动的棱镜装置以及反射镜12；光信号通过反射光纤准直仪8投射到棱镜装置上，通过棱镜装置再垂直投射到反射镜12上，光信号到达反射镜12反射形成反射光信号，反射光信号原路返回。
再进一步地，反射镜12、反射光纤准直仪8设置于棱镜装置的棱镜的同一侧，反射光纤准直仪8的出射光线方向与从棱镜折射出的光线方向平行；优选地，棱镜为正方体，即棱镜的横截面为正方形；棱镜的边长为a，折射率为n，棱镜在初始位置时，反射光纤准直仪8投射的光线垂直投射到棱镜；棱镜绕中心轴旋转，旋转角度为α；反射光纤准直仪8投射的光线距离棱镜的中心距离为b，令d1=(a/2)*tan(α/2)；△L1=(b-d1)*tan（α）；d2=(b-d1)/cos(α)，d3=a/2+d1-d2；光线从反射光纤准直仪8进入棱镜的折射角为β，则β=arcsin(sin(α)/n),且令：t1=d3/sin(β),t3=a/cos(β),d4=d3/tan(β),
t2=(a-d4)/cos(β),d5=(a-d4)*tan(β),d6=d2+d3-d5-t3*sin(β),
△L2=d6*sin(α/2)；光路反射装置内的单向光程变量为：△L=f(α)=△L1+(t1+t2+t3)*n+△L2；两次干涉的光程的改变量：△T=2【f(α1)- f(α0)】,其中α0表示表示第N次发生干涉时时，棱镜装置旋转的角度；α1表示第N+i次发生干涉时时，棱镜装置旋转的角度，N、i均为自然数。
参见附图3，图中：d1=AB；d2=BF；d3=FH；d4=JH；d5=KL；d6=BD；t1=FJ；t2=LJ；t3=LD；△L1=DC；△L2=MF。在棱镜旋转过程中，由附图3可知：单光程发生变化量为：△L1+t1+t2+t3+△L2。
再进一步地，棱镜装置包括旋转台、伺服电机以及伺服驱动器，伺服电机与旋转台驱动连接，伺服驱动器与伺服电机连接；伺服驱动器的脉冲驱动信号与旋转角度成比例，m=kα，k为比例系数；则△L=f(（1/k）m)，m表述脉冲数，△T=2【f(（1/k）m1)- f(（1/k）m0)】，其中m1表示表示发生第N+1发生干涉时时，伺服驱动器发出的脉冲数量；m0表示第N次发生干涉时，伺服驱动器发出的脉冲数量。
旋转角度比较难以测量，特别是进行多次测量时，每次测量旋转的角度非常复杂。但旋转台6的旋转角度与伺服电机的旋转角度一致；伺服电机的旋转角度与伺服驱动器的脉冲信号相关且成比例，一个脉冲信号，伺服电机旋转一定的角度。因此可以将旋转角度转换为脉冲数量，通过脉冲数量来计算光程差，从而获得被测物的厚度以及其他尺寸。
在具体操作时，通过控制器控制脉冲数量，并根据脉冲数量计算出被测物的厚度尺寸。干涉原理采用低相干干涉光原理。实施例2的应用测量装置可以采用实施例1的测量装置，当然也可以应用其他装置，两个实施例的应用原理当然也可以应用其他干涉原理。
以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims (10)

1.用于测量物件尺寸的测量装置，其特征在于：包括：
光源，用以产生低相干光；
光纤耦合器，用于实现光信号的分路和合路；
光纤，用于传输光信号；
载物装置，用于盛放被测物；
检测光纤准直仪，用于将光纤的光投射到载物装置的基准面或位于载物装置的被测物，以及将载物装置的基准面或被测物反射的光耦合至光纤内；
光路反射装置，可改变光程且将光信号原路反射；
光信号检测处理装置，用于检测光信号是否发生干涉，并与光路反射装置连接，计算两次发生干涉时光程的改变量。
2.根据权利要求1所述的用于测量物件尺寸的测量装置，其特征在于：所述光路反射装置包括反射光纤准直仪、可转动的棱镜装置以及反射镜；光信号通过反射光纤准直仪投射到棱镜装置上，通过棱镜装置再垂直投射到反射镜上，光信号到达反射镜反射形成反射光信号，反射光信号原路返回。
3.根据权利要求2所述的用于测量物件尺寸的测量装置，其特征在于：所述棱镜装置包括棱镜以及旋转装置，棱镜固定于旋转装置。
4.根据权利要求1所述的用于测量物件尺寸的测量装置，其特征在于：光路反射装置包括反射光纤准直仪、反射镜以及线性模组，反射镜固定于线性模组。
5.根据权利要求1所述的用于测量物件尺寸的测量装置，其特征在于：光信号检测处理装置包括：用于探测干涉数据的探测器、数据采集卡以及控制器
光纤耦合器、探测器、数据采集卡和控制器依次连接。
6.根据权利要求3所述的用于测量物件尺寸的测量装置，其特征在于：旋转装置包括旋转台和驱动旋转台旋转的伺服电机，还包括IO电路和伺服驱动器，伺服驱动器与伺服电机连接，数据采集卡通过IO电路与伺服驱动器连接。
7.一种测量方法，其特征在于：包括：
光源发出的光信号通过光纤耦合器形成两路光路；分别为检测光路和参考光路；
当被测物为非透明物体时：
检测光路的光信号投射到载物装置的基准面，形成检测光信号并反射回光纤耦合器；
参考光路的光信号投射到可改变光程的光路反射装置，光路反射装置将光信号反射形成参考光信号；参考光信号原路返回至光纤耦合器；
提取光纤耦合器的检测光信号和参考光信号，同时调节光路反射装置，使得使得检测光信号和参考光信号发生干涉；
将被测物放置载物装置，再次提取光纤耦合器的检测光信号，同时调节光路反射装置改变光程，使得检测光信号和参考光信号发生干涉；光程的改变量即为被测物的厚度；
当被测物为透明物体时：
检测光路的光信号投射到载物装置的被测物，光信号被测物的不同高度的表面反射，形成与表面对应的检测光信号，检测光信号反射回光纤耦合器；
参考光路的光信号投射到可改变光程的光路反射装置，光路反射装置将光信号反射形成参考光信号；参考光信号原路返回至光纤耦合器；
提取光纤耦合器的检测光信号和参考光信号，同时调节光路反射装置，使得检测光信号和参考光信号发生干涉；两次干涉所对应的光程改变量，与被测物相应的两个表面高度差成正比，且比例系数为被测物的折射率。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：光路反射装置包括反射光纤准直仪、可转动的棱镜装置以及反射镜；光信号通过反射光纤准直仪投射到棱镜装置上，通过棱镜装置再垂直投射到反射镜上，光信号到达反射镜反射形成反射光信号，反射光信号原路返回。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：反射镜、反射光纤准直仪设置于棱镜装置的棱镜的同一侧，反射光纤准直仪的出射光线方向与从棱镜折射出的光线方向平行；棱镜为正方体，棱镜的边长为a，折射率为n，棱镜在初始位置时，反射光纤准直仪投射的光线垂直投射到棱镜；棱镜绕中心轴旋转，旋转角度为α；反射光纤准直仪投射的光线距离棱镜的中心距离为b，令d1=(a/2)*tan(α/2)；△L1=(b-d1)*tan（α）；d2=(b-d1)/cos(α)，d3=a/2+d1-d2；光线从反射光纤准直仪进入棱镜的折射角为β，则β=arcsin(sin(α)/n),且令：t1=d3/sin(β),t3=a/cos(β),d4=d3/tan(β),
t2=(a-d4)/cos(β),d5=(a-d4)*tan(β),d6=d2+d3-d5-t3*sin(β),
△L2=d6*sin(α/2)；光路反射装置内的单向光程变量为：△L=f(α)=△L1+(t1+t2+t3)*n+△L2；两次干涉的光程的改变量：△T=2【f(α1)- f(α0)】,其中α0载物装置表示第N次发生干涉时，棱镜装置旋转的角度；α1表示载物装置第N+i次发生干涉时，棱镜装置旋转的角度，N、i均为自然数。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于：棱镜装置包括旋转台、伺服电机以及伺服驱动器，伺服电机与旋转台驱动连接，伺服驱动器与伺服电机连接；伺服驱动器的脉冲驱动信号与旋转角度成比例，m=kα，k为比例系数；则△L=f(（1/k）m)，m表述脉冲数，△T=2【f(（1/k）m1)- f(（1/k）m0)】，其中m1表示发生第N+1发生干涉时，伺服驱动器发出的脉冲数量；m0表示第N次发生干涉时，伺服驱动器发出的脉冲数量。
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