CN106338259A - 杆的弯曲度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆的弯曲度测量装置，包括：光源、与所述光源相连接的光纤耦合器、以及分别与所述光纤耦合器的另三个端口相连接的参考端、样品端和数据采集及处理装置；本发明利用待测杆表面上的点为凸起或凹陷时与平整的点所对应的深度值不相等而引起低相干干涉信号强度不同的原理对杆的弯曲度进行检测，样品端设置光开关阵列准直装置，可使多条测量光束依次通过待测杆表面的各个位置，大大提高了检测的效率，取样多点化使数据更全面，数据采集及处理装置自动记录干涉的图像信号并拟合出三维图像而获得弯曲度信息，采用非接触的光学检测方法，测量时无需接触到待测杆，可避免因接触对待测杆造成的损伤，检测精度高可达微米级别。

Description

杆的弯曲度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及杆的质量检测技术领域，特别涉及一种杆的弯曲度测量装置及测量方法。

背景技术

目前，关于杆等各种圆杆的加工过程中，会因为尺寸小，刚度小，容易发生变形而加工困难，而在实际的运用就要求要有杆的精确弯曲度，而平常的测量杆弯曲度的方法不够迅速，而且有些接触测量方法可能影响到元件，所以造成加工杆的测量难度大大增加，而在实际运用中又需要高精度的杆。

常用的检测杆弯曲度的方法有：目测法和接触性测量法，这些方法存在检测不准确，可能造成系统和人为误差，因此为了生产高精度的杆，减轻加工过程中的费用和时间，以及提高准确率，提出如下方法：采用低相干光源的干涉现象测量杆的弯曲度，可以快速便捷准确地测量出杆的弯曲度。

在现有的技术里，目测法的结果会与实际弯曲度有很大的差别，这就会对实际生产过程中造成了很大的潜在危害，另外有测量方法，其方法如下，用卡盘固定待测杆，再加上电机的匀速旋转一周，以一激光射到圆心，待杆旋转一周后，收集光信号，数据处理后观察圆心位置的变化，以拟合杆弯曲度的曲线。在该方法中不能实时的找到杆每一点的弯曲情况，不能取样多点，准确性不足。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种无需接触待检测杆，能多次对杆的多个位置进行测量，大大提高测量精度的杆的弯曲度测量装置以解决现有技术存在的不足。

本发明的另一个目的是提供一种高效、非接触、重复性高而且准确率高的杆的弯曲度测量方法。

本发明通过以下技术方案来实现发明目的：

一种杆的弯曲度测量装置，包括光源、与所述光源相连接的光纤耦合器、以及分别与所述光纤耦合器的另三个端口相连接的参考端、样品端和数据采集及处理装置；

光源为低相干光；

光纤耦合器为2×2光纤耦合器，用于将所述光源发射出的光束分成一个测量光束和一个参考光束；

所述参考端用于所述参考光束的传播，包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一凸透镜和反射镜，反射镜固定在反射镜固定装置上，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过第一凸透镜会聚后射到反射镜上再被反射回来；

所述样品端用于所述测量光束的传播，包括光开关阵列准直装置、待测杆以及分别带动待测杆旋转运动和前后移动的旋转电机和步进电机，所述待测杆的表面与光开关阵列准直装置射出的光束垂直，所述测量光束经光开关阵列准直装置准直后分成多路等光程的光依次射到待测杆的表面；

所述数据采集及处理装置用于采集和处理所述参考光束和测量光束分别在参考端和样品端中反射回来后再在所述光纤耦合器中结合所产生干涉光的图像信号，包括第二凸透镜、衍射光栅、第三凸透镜、线阵相机和电脑，所述样品端中测量光束的后向散射光和参考端中参考光束的反射光在光纤耦合器中产生干涉光，第二凸透镜将干涉光变成平行光，再由衍射光栅进行分光处理，接着经过第三凸透镜使线阵相机接收并采集干涉光的信号，电脑对采集到的信号进行处理。

进一步地，所述待测杆两端分别各与一台旋转电机连接，两台旋转电机分别固定在两侧的固定支架上，固定支架的底端与步进电机连接。

进一步地，所述数据采集及处理装置将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间。

一种杆的弯曲度测量方法，包括以下步骤：

(1)开启光源通过光纤藕合器分别向样品端的待测杆发射测量光束和参考端发射参考光束；

(2)数据采集及处理装置中的电脑控制光开关阵列准直装置逐个开与关，使测量光束垂直照射在待测杆上；步进电机带动待测杆直线移动以使光开关阵列准直装置逐段检测待测杆，旋转电机带动待测杆做圆周运动以周向测量待测杆，如此，直至将待测杆表面所在的点全部检测完；

(3)数据采集及处理装置记录待测杆的干涉信号；

(4)电脑接收线阵相机的干涉信号并拟合得出三维图像，获得平整度信息。

进一步地，所述步骤(1)中光纤藕合器为2×2光纤耦合器，光源为低相干光；

所述步骤(1)中参考端包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一凸透镜和反射镜，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过第一凸透镜会聚后射到反射镜上再被反射回来，样品端包括光开关阵列准直装置、待测杆以及分别带动待测杆旋转运动和前后移动的旋转电机和步进电机，所述待测杆的表面与光开关阵列准直装置射出的光束垂直，所述测量光束经光开关阵列准直装置准直后分成多路等光程的光依次射到待测杆的表面；

所述步骤(3)中数据采集及处理装置包括第二凸透镜、衍射光栅、第三凸透镜、线阵相机和电脑，所述样品端中测量光束的反射光和参考端中参考光束的反射光在光纤耦合器中产生干涉光，第二凸透镜将干涉光变成平行光，再由衍射光栅进行分光处理，接着经过第三凸透镜使线阵相机接收并采集干涉光的信号，电脑对采集到的信号进行处理。

进一步地，所述步骤(4)中图像处理是将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间，坐标空间下的干涉光信号强度I_RS(z)与待测杆表面的深度z具有以下关系，可表示为：

其中，z表示待测杆表面上任意点的深度，当且仅当z＝z_i ^m为反射面位置时，I_RS(z_i ^m)>>I_RS(z_i ^m’)，z_i ^m≠z_i ^m’，z_i ^m是指转动m角度时i点沿待测杆的厚度方向除反射面z_i ^m’对应位置外的其它点，为确保杆的转动中心是杆的中心位置，定义实际探测深度z_i＝z_i ^m-[(z_i ^m)_max+(z_i ^m+π)_max]/2，由此可判断反射点深度，即凸起或凹陷的点与平整的点所对应的z_i值不相等；

再根据z_i值的差异可以判断出杆某一位置处平整度的差异，若多数z_i值互不相同，则对某一段的杆的测得数据z_i进行弯曲度C_i～i+Δi估计，定义为其中，Δl_i～i+Δi是杆i～i+Δi区域的水平长度，max(Δz_i～Δi)是杆i～i+Δi区域的测量的深度的最大插值，即(Δz_i～Δi)_max＝(z_i～Δi)_max-(z_i～Δi)_min。

本发明提供的杆的弯曲度测量装置及其测量方法具有以下优点：

1、采用非接触光学方法，测量时无需接触到待测杆外表面，避免因接触对待测杆造成的损伤。

2、可实现对待测杆的多点取样测量，提高了测量速度，有助于实现工业上的全样品检测。

3、通过弱相干光干涉原理实现杆表面弯曲度的检测，检测灵敏度高，检测精度高可达到微米级别。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构示意图；

其中：1—光源，2—光纤耦合器，3—参考端，31—第一准直镜，32—第一凸透镜，33—反射镜，34—反射镜固定装置，35—光纤接口，4—样品端，41—光开关阵列准直装置，42—待测杆，43—旋转电机，44—步进电机，45—固定支架，5—数据采集及处理装置，51—第二凸透镜，52—衍射光栅，53—第三凸透镜，54—线阵相机，55—电脑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，杆的弯曲度测量装置，包括光源1、与光源1相连接的光纤耦合器2、以及分别与光纤耦合器1的另三个端口相连接的参考端3、样品端4和数据采集及处理装置5，其中，光源1为低相干光；光纤耦合器2为2×2光纤耦合器，用于将光源发射出的光束分成一个测量光束和一个参考光束；

参考端3用于参考光束的传播，包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜31、第一凸透镜32和反射镜33，反射镜33固定在反射镜固定装置34上，参考光束经第一准直镜31准直后变成平行光，再通过第一凸透镜32会聚后射到反射镜33上再被反射回来；

样品端4用于测量光束的传播，包括光开关阵列准直装置41、待测杆42以及分别带动待测杆42旋转运动和前后移动的旋转电机43和步进电机44，待测杆42两端分别各与一台旋转电机43连接，两台旋转电机43分别固定在两侧的固定支架45上，固定支架45的底端与步进电机44连接，待测杆42的表面与光开关阵列准直装置41射出的光束垂直，测量光束经光开关阵列准直装置41准直后分成多路等光程的光依次射到待测杆42的表面；

数据采集及处理装置5用于采集和处理参考光束和测量光束分别在参考端3和样品端4中反射回来后再在光纤耦合器2中结合所产生干涉光的图像信号，包括第二凸透镜51、衍射光栅52、第三凸透镜53、线阵相机54和电脑55，样品端4中测量光束的反射光和参考端3中参考光束的反射光在光纤耦合器2中产生干涉光，第二凸透镜51将干涉光变成平行光，再由衍射光栅52进行分光处理，接着经过第三凸透镜53使线阵相机54接收并采集干涉光的信号，电脑55对采集到的信号进行处理，数据采集及处理装置5是将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间。

一种使用上述杆的弯曲度测量装置进行杆的弯曲度测量的方法，包括以下步骤：

(1)开启光源1通过光纤藕合器2分别向样品端4的待测杆发射测量光束和参考端3发射参考光束，其中光纤藕合器2为2×2光纤耦合器，光源1为低相干光；参考端3包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜31、第一凸透镜32和反射镜33，参考光束通过一光纤接口35后经第一准直镜31准直后变成平行光，再通过第一凸透镜32会聚后射到反射镜33上再被反射回来，样品端4包括光开关阵列准直装置41、待测杆42以及分别带动待测杆42旋转运动和前后移动的旋转电机43和步进电机44，待测杆42的表面与光开关阵列准直装置41射出的光束垂直，测量光束经光开关阵列准直装置41准直后分成多路等光程的光依次射到待测杆42的表面。

(2)数据采集及处理装置5中的电脑55控制光开关阵列准直装置41逐个开与关，使测量光束垂直照射在待测杆42上；步进电机44带动待测杆42直线移动以使光开关阵列准直装置41检测逐段检测待测杆42，旋转电机43带动待测杆42做圆周运动以周向测量待测杆42，如此，直至将待测杆42表面所在的点全部检测完；

(3)数据采集及处理装置5记录待测杆42的干涉信号，数据采集及处理装置5包括第二凸透镜51、衍射光栅52、第三凸透镜53、线阵相机54和电脑55，样品端4中测量光束的反射光和参考端3中参考光束的反射光在光纤耦合器2中产生干涉光，第二凸透镜51将干涉光变成平行光，再由衍射光栅52进行分光处理，接着经过第三凸透镜53使线阵相机54接收并采集干涉光的信号，电脑55对采集到的信号进行处理。

(4)电脑55接收线阵相机54的干涉信号并拟合得出三维图像，获得弯曲度信息，具体地，图像处理是将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间，坐标空间下的干涉光信号强度I_RS(z)与待测杆表面的深度z具有以下关系，可表示为：

其中，z表示待测杆表面上任意点的深度，当且仅当z＝z_i ^m为反射面位置时，I_RS(z_i ^m)>>I_RS(z_i ^m’)，z_i ^m≠z_i ^m’，z_i ^m是指转动m角度时i点沿待测杆的厚度方向除反射面z_i ^m’对应位置外的其它点，为确保杆的转动中心是杆的中心位置，定义实际探测深度z_i＝z_i ^m-[(z_i ^m)_max+(z_i ^m+π)_max]/2，由此可判断反射点深度，即凸起或凹陷的点与平整的点所对应的z_i值不相等；

再根据z_i值的差异可以判断出杆某一位置处平整度的差异，若多数z_i值互不相同，则对某一段的杆的测得数据z_i进行弯曲度C_i～i+Δi估计，定义为其中，Δl_i～i+Δi是杆i～i+Δi区域的水平长度，max(Δz_i～Δi)是杆i～i+Δi区域的测量的深度的最大插值，即(Δz_i～Δi)_max＝(z_i～Δi)_max-(z_i～Δi)_min。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种杆的弯曲度测量装置，其特征在于：包括光源、与所述光源相连接的光纤耦合器、以及分别与所述光纤耦合器的另三个端口相连接的参考端、样品端和数据采集及处理装置；

光源为低相干光；

光纤耦合器为2×2光纤耦合器，用于将所述光源发射出的光束分成一个测量光束和一个参考光束；

所述参考端用于所述参考光束的传播，包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一凸透镜和反射镜，反射镜固定在反射镜固定装置上，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过第一凸透镜会聚后射到反射镜上再被反射回来；

所述样品端用于所述测量光束的传播，包括光开关阵列准直装置、待测杆以及分别带动待测杆旋转运动的旋转电机和前后移动和步进电机，所述待测杆的表面与光开关阵列准直装置射出的光束垂直，所述测量光束经光开关阵列准直装置准直后分成多路等光程的光依次射到待测杆的表面；

所述数据采集及处理装置用于采集和处理所述参考光束和测量光束分别在参考端和样品端中反射回来后再在所述光纤耦合器中结合所产生干涉光的图像信号，包括第二凸透镜、衍射光栅、第三凸透镜、线阵相机和电脑，所述样品端中测量光束的反射光和参考端中参考光束的反射光在光纤耦合器中产生干涉光，第二凸透镜将干涉光变成平行光，再由衍射光栅进行分光处理，接着经过第三凸透镜使线阵相机接收并采集干涉光的信号，电脑对采集到的信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的杆的弯曲度测量装置，其特征在于：所述待测杆两端分别各与一台旋转电机连接，两台旋转电机分别固定在两侧的固定支架上，固定支架的底端与步进电机连接。

3.根据权利要求1所述的杆的弯曲度测量装置，其特征在于：所述数据采集及处理装置将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间。

4.一种杆的弯曲度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开启光源通过光纤藕合器分别向样品端的待测杆发射测量光束和参考端发射参考光束；

(2)数据采集及处理装置中的电脑控制光开关阵列准直装置逐个开与关，使测量光束垂直照射在待测杆上；步进电机带动待测杆直线移动以使光开关阵列准直装置逐段检测待测杆，旋转电机带动待测杆做圆周运动以周向测量待测杆，如此，直至将待测杆表面所在的点全部检测完；

(3)数据采集及处理装置记录待测杆的干涉信号；

(4)电脑接收线阵相机的干涉信号并拟合得出三维图像，获得平整度信息。

5.根据权利要求4所述的杆的弯曲度测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中光纤藕合器为2×2光纤耦合器，光源为低相干光；

所述步骤(1)中参考端包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一凸透镜和反射镜，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过第一凸透镜会聚后射到反射镜上再被反射回来，样品端包括光开关阵列准直装置、待测杆以及分别带动待测杆旋转运动和前后移动的旋转电机和步进电机，所述待测杆的表面与光开关阵列准直装置射出的光束垂直，所述测量光束经光开关阵列准直装置准直后分成多路等光程的光依次射到待测杆的表面；

所述步骤(3)中数据采集及处理装置包括第二凸透镜、衍射光栅、第三凸透镜、线阵相机和电脑，所述样品端中测量光束的反射光和参考端中参考光束的反射光在光纤耦合器中产生干涉光，第二凸透镜将干涉光变成平行光，再由衍射光栅进行分光处理，接着经过第三凸透镜使线阵相机接收并采集干涉光的信号，电脑对采集到的信号进行处理。

6.根据权利要求4所述的杆的弯曲度测量装置，其特征在于：

所述步骤(4)中图像处理是将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间，坐标空间下的干涉光信号强度I_RS(z)与待测杆表面的深度z具有以下关系，可表示为：

$\begin{array}{c}{I}_{RS}^m\left(z\right)=FT\left(I_{RS}\right(k\left)\right)\\ =\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_R{A}_S\[e\]\end{array}$

其中，z表示待测杆表面上任意点的深度，当且仅当z＝z_i ^m为反射面位置时，I_RS(z_i ^m)>>I_RS(z_i ^m’)，z_i ^m≠z_i ^m’，z_i ^m是指转动m角度时i点沿待测杆的厚度方向除反射面z_i ^m’对应位置外的其它点，为确保杆的转动中心是杆的中心位置，定义实际探测深度z_i＝z_i ^m-[(z_i ^m)_max+(z_i ^m+π)_max]/2，由此可判断反射点深度，即凸起或凹陷的点与平整的点所对应的z_i值不相等；

再根据z_i值的差异可以判断出杆某一位置处平整度的差异，若多数z_i值互不相同，则对某一段的杆的测得数据z_i进行弯曲度C_i～i+Δi估计，定义为其中，Δl_i～i+Δi是杆i～i+Δi区域的水平长度，max(Δz_i～Δi)是杆i～i+Δi区域的测量的深度的最大插值，即(Δz_i～Δi)_max＝(z_i～Δi)_max-(z_i～Δi)_min。