CN106500604A - 基于光影的平面凸点高度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光影的平面凸点高度测量装置及方法，该测量装置包括激光准直镜以及接收板；表面含有凸点的待测平面置于激光准直镜与接收板之间；激光准直镜、表面含有凸点的待测平面以及接收板处于同一平面上，使激光准直镜所发射的激光束与待测平面基准面的上表面平行且相切，采集凸点距离准直镜的距离L₁以及凸点距离接收板的距离L₂，以基准面为下止点，利用下式(1)进行计算，从而确定平面上的凸点高度，本发明适用于待测平面不能移动，且待测平面与水平面和竖直面成任意夹角，待测平面尺寸较大时的规则和不规则凸点高度的测量，测量方向不受约束，灵活度高，而且利用光影测量，不受温度、湿度等环境的影响，测量可靠性高，稳定性好。

Description

基于光影的平面凸点高度测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及一种平面凸点高度的测量装置及方法，尤其涉及一种基于光影的平面凸点高度测量装置及方法。

背景技术

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约只有0.001弧度，如果用望远镜系统进行扩束准直，那么它的发散角可以进一步缩小，传播很远距离其光斑大小都无明显的变化。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，其光斑直径将覆盖整个月球。

目前平面度测量装置较多，但适用范围均有限，如：

1、平晶干涉法：适宜测量高光洁表面，测量面积也较小，测量精确度高。主要用于测量小平面，如量规的工作面和千分尺测头测量面的平面度误差。

2、打表测量法：打表测量法是将被测零件和测微计放在标准平板上，以标准平板作为测量基准面，用测微计沿实际表面逐点或沿几条直线方向进行测量。测微计在整个实际表面上测得的最大变动量即为该实际表面的平面度误差。测量过程复杂，精度一般。

3、液平面法：液平面法是用液平面作为测量基准面，液平面由“连通罐”内的液面构成，然后用传感器进行测量。此法主要用于测量大平面的平面度误差。因为其采用液体作为基准面，所以应用场合受限制。

4、激光平面度测量仪：激光平面度测量仪用于测量大尺寸(400mm*250mm)平面型工件的平面度误差。其以大理石台面为测量基准，均匀分布3个激光器实现三角非接触测量，测量过程复杂。

因此，无论是三个激光器的激光平面度测量仪，还是高精度的平晶干涉法，都存在测量过程复杂或测量面积受限的问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可对大平面进行平面度测量的简单、精确的基于光影的平面凸点高度测量装置。

同时，本发明还提供了一种利用上述装置实现的高度测量方法，其测量过程简单，无需直接接触被测量物，而且测量结果精准、计算简单，适用于空间平面表面规则和不规则凸点高度的测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光影的平面凸点高度测量装置，所述基于光影的平面凸点高度测量装置包括激光准直镜以及接收板；表面含有凸点的待测平面置于激光准直镜与接收板之间；所述激光准直镜、表面含有凸点的待测平面以及接收板处于同一平面上。

进一步，上述基于光影的平面凸点高度测量装置还包括发射支架；所述激光准直镜1置于发射支架顶部。

进一步，上述发射支架包括发射支架底座以及设置在发射支架底座上的发射支架伸缩杆和设置在发射支架伸缩杆顶部用于固定激光准直镜的卡子；所述激光准直镜通过卡子置于发射支架伸缩杆的顶部；

所述发射支架伸缩杆包括发射支架底杆、发射支架第一连接轴、发射支架中间杆、发射支架第二连接轴以及发射支架顶杆；发射支架中间杆分别通过发射支架第二连接轴和发射支架第一连接轴与发射支架顶杆、发射支架底杆连接，发射支架底杆固定在发射支架底座上，所述激光准直镜1通过卡子置于发射支架顶杆的顶部。

进一步，上述基于光影的平面凸点高度测量装置还包括接收支架；所述接收板置于接收支架顶部，所述接收支架包括接收支架底座以及设置在接收支架底座上的接收支架伸缩杆；所述接收板置于接收支架伸缩杆顶部。

进一步，上述接收支架伸缩杆包括接收支架底杆、接收支架第一连接轴、接收支架中间杆、接收支架第二连接轴以及接收支架顶杆；接收支架中间杆的两端通过接收支架第一连接轴、接收支架第二连接轴分别与接收支架底杆、接收支架顶杆连接，接收支架底杆的底端固定在接收支架底座上，所述接收板置于接收支架顶杆顶部。

进一步，上述表面含有凸点的待测平面包括待测平面基准面；所述凸点置于待测平面基准面的上表面；所述激光准直镜、待测平面基准面以及接收板处于同一平面上。

进一步，上述激光准直镜所发射的激光束与待测平面基准面的上表面平行且相切。

一种利用上述的基于光影的平面凸点高度测量装置实现平面凸点高度测量的方法，由以下步骤实现：

将激光准直镜、待测平面基准面以及接收板调整至同一平面上，使激光准直镜所发射的激光束与待测平面基准面的上表面平行且相切，采集凸点距离准直镜的距离L₁以及凸点距离接收板的距离L₂，以待测平面基准面为下止点，利用下式进行计算，

其中：H为凸点高度，单位cm；

L₁为凸点距离激光准直镜的距离，单位cm；

L₂为凸点距离接收板的距离，单位cm；

H为激光准直镜理想光斑直径，单位cm；

h₁为激光准直镜理想光斑半径与实际光斑半径之差，单位cm；

h₂为中间量值，单位cm；

得到待测平面上的凸点高度。

本发明提供了一种基于光影的平面凸点高度测量装置及方法，是利用激光准直镜光束平行传播的特点，以基准面为下止点，平面表面上的凸点将通过平行光束投影到接收面，再根据接收板上光斑的尺寸以及激光准直镜、接收板与凸点之间的间距、准直镜理想光斑直径与实际光斑直径之差等参数，计算出平面上的凸点高度，本发明适用于待测平面不能移动、待测平面与水平面和竖直面成任意夹角以及待测平面尺寸较大时的待测平面上凸点高度的测量，而且对于平面表面规则和不规则凸点均可适用，其测量方向不受约束，灵活度高，测量误差小，精确度高，而且本发明的装置采用光学原理，不受温度、湿度等环境的影响，测量可靠性高，稳定性好。

附图说明

图1是实施例1所提供的平面凸点3-2高度测量装置的结构示意图；

图2是实施例1所采用的发射支架4结构示意图；

图3是实施例1所采用的接收支架5结构示意图；

图4是实施例1所采用的待测平面3示意图；

图5是基于图1的装置对理想平面进行测量时的光斑过程示意图；

图6是基于图1的装置对非理想平面进行测量时的光斑过程示意图；

图7是图6的接收板2上呈现的光斑示意图；

图8是图1的装置对凸点3-2高度采集顺序示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

参见图1，本实施例提供了的基于光影的平面凸点高度测量装置包括发射支架4、激光准直镜1、接收支架5、接收板2以及表面含有凸点3-2的待测平面3。

其中，激光准直镜1置于发射支架4顶部，接收板2置于接收支架5顶部，表面含有凸点3-2的待测平面3置于激光准直镜1与接收板2之间，激光准直镜1、表面含有凸点3-2的待测平面3以及接收板2处于同一平面上。

参见图2，发射支架4包括发射支架底座4-1以及设置在发射支架底座4-1上的发射支架伸缩杆4-2和安装在发射支架伸缩杆4-2顶端的卡子4-3，激光准直镜1卡在卡子4-3，通过卡子4-3固定于发射支架伸缩杆4-2的顶部。本实施例的发射支架伸缩杆4-2是可调节伸缩的，其具体是由发射支架底杆4-2-1、发射支架第一连接轴4-2-2、发射支架中间杆4-2-3、发射支架第二连接轴4-2-4以及发射支架顶杆4-2-5组成，卡子4-3固定在发射支架顶杆4-2-5的顶端，发射支架中间杆4-2-3的顶端通过发射支架第二连接轴4-2-4与发射支架顶杆4-2-5连接，发射支架中间杆4-2-3的底端通过发射支架第一连接轴4-2-2与发射支架底杆4-2-1连接，发射支架底杆4-2-1固定在发射支架底座4-1上，激光准直镜1通过卡子4-3置于发射支架顶杆4-2-5的顶部。

参见图3，接收板2置于接收支架5顶部，接收支架5包括接收支架底座5-1以及设置在接收支架底座5-1上的接收支架伸缩杆5-2；本实施例的接收支架伸缩杆5-2是由接收支架底杆5-2-1、接收支架第一连接轴5-2-2、接收支架中间杆5-2-3、接收支架第二连接轴5-2-4以及接收支架顶杆5-2-5组成；接收支架中间杆5-2-3的顶端通过接收支架第二连接轴5-2-4与接收支架顶杆5-2-5连接，接收支架中间杆5-2-3的底端通过接收支架第一连接轴5-2-2与接收支架底杆5-2-1连接，接收支架底杆5-2-1固定在接收支架底座5-1上，接收板2固定在接收支架顶杆5-2-5的顶部。

参见图4，待测平面3包括待测平面基准面3-1和待测平面3-1上的凸点3-2，即凸点3-2置于待测平面基准面3-1的上表面；激光准直镜1、待测平面基准面3-1以及接收板2处于同一平面上。激光准直镜1所发射的激光束与待测平面基准面3-1的上表面平行且相切。

本发明在具体使用时，发射支架底座4-1和发射支架伸缩杆4-2固定连接，发射支架伸缩杆4-2可沿z方向伸缩，以满足不同高度的待测平面3。发射支架伸缩杆4-2和发射支架中间杆4-2-3通过发射支架第一连接轴4-2-2铰接，发射支架中间杆4-2-3可绕着x轴旋转。发射支架顶杆4-2-5和发射支架中间杆4-2-3通过发射支架第二连接轴4-2-4铰接，发射支架顶杆4-2-5可绕着y轴旋转。激光准直镜1通过卡子4-3与发射支架顶杆4-2-5固定连接，卡子4-3为弹性元件，根据待测平面3上凸点3-2的高低可更换激光准直镜1。

当待测平面3与x轴和y轴有一定夹角时，可通过发射支架中间杆4-2-3绕x轴旋转和发射支架顶杆4-2-5绕y轴旋转完成角度的调整，以保证激光准直镜1所发射的激光束和待测平面3上的待测平面基准面3-1平行且相切。

在此情况下，可通过接收支架中间杆5-2-3绕x轴旋转和接收支架顶杆5-2-5绕y轴旋转完成接收板2的角度调整，以保证激光准直镜1所发射的激光束垂直投射到接收板2上，同时确保光斑全部投射到接收板2上。

激光器上加装激光扩束准直镜后，其整体被称之为激光准直镜1，此时激光器发散角变的极小，在一定长度范围内可忽略发散角，因此可认为平行传播，激光准直镜1的原理示意图如图5所示。因此，可根据激光准直镜1的光束特点，以某平面为基准，将平面表面某凸点3-2投影到接收板2，可直接根据接收面上光斑的形状，即可得知凸点3-2高度。

但是，当待测平面3特别大时(百米量级)，准直镜的平行光束则具有一定发散性，因此不能将图像处理后的数值当成凸点3-2高度值。

参见图6～8，本实施例利用上述的基于光影的平面凸点高度测量装置实现平面凸点3-2高度测量的方法，由以下步骤实现：

将激光准直镜1、待测平面基准面3-1以及接收板2调整至同一平面上，使激光准直镜1所发射的激光束与待测平面基准面3-1的上表面平行且相切，采集凸点3-2距离激光准直镜1的距离L₁以及凸点3-2距离接收板2的距离L₂，以待测平面基准面3-1为下止点，利用下式进行计算，

其中：H为凸点3-2高度，单位cm；

L₁为凸点3-2距离激光准直镜1的距离，单位cm；

L₂为凸点3-2距离激光接收板2的距离，单位cm；

h为激光准直镜1的理想光斑直径，单位cm；

h₁为激光准直镜1的理想光斑半径与实际光斑半径之差，单位cm；

h₂为中间量值，单位cm；

得到待测平面上的凸点3-2高度。

本发明所提供的设备适用于待测平面3不能移动，待测平面3与水平面和竖直面成任意夹角，待测平面3尺寸较大时的待测平面3上凸点3-2高度的测量，测量方向不受约束，灵活度高，本装置采用光学原理，不受温度、湿度等环境的影响，测量可靠性高，稳定性好。

Claims (8)

1.一种基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述基于光影的平面凸点高度测量装置包括激光准直镜(1)以及接收板(2)；表面含有凸点(3-2)的待测平面(3)置于激光准直镜(1)与接收板(2)之间；所述激光准直镜(1)、表面含有凸点(3-2)的待测平面(3)以及接收板(2)处于同一平面上。

2.根据权利要求1所述的基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述基于光影的平面凸点高度测量装置还包括发射支架(4)；所述激光准直镜(1)置于发射支架(4)顶部。

3.根据权利要求2所述的基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述发射支架(4)包括发射支架底座(4-1)以及设置在发射支架底座(4-1)上的发射支架伸缩杆(4-2)和设置在发射支架伸缩杆(4-2)顶部用于固定激光准直镜(1)的卡子(4-3)；所述激光准直镜(1)通过卡子(4-3)置于发射支架伸缩杆(4-2)的顶部；

所述发射支架伸缩杆(4-2)包括发射支架底杆(4-2-1)、发射支架第一连接轴(4-2-2)、发射支架中间杆(4-2-3)、发射支架第二连接轴(4-2-4)以及发射支架顶杆(4-2-5)；所述发射支架中间杆(4-2-3)的两端通过发射支架第一连接轴(4-2-2)、发射支架第二连接轴(4-2-4)分别与发射支架底杆(4-2-1)、发射支架顶杆(4-2-5)相连；发射支架底杆(4-2-1)固定在发射支架底座(4-1)上，所述激光准直镜(1)通过卡子(4-3)置于发射支架顶杆(4-2-5)的顶部。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述基于光影的平面凸点高度测量装置还包括接收支架(5)；所述接收支架(5)包括接收支架底座(5-1)以及设置在接收支架底座(5-1)上的接收支架伸缩杆(5-2)；所述接收板(2)置于接收支架伸缩杆(5-2)顶部。

5.根据权利要求4所述的基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述接收支架伸缩杆(5-2)包括接收支架底杆(5-2-1)、接收支架第一连接轴(5-2-2)、接收支架中间杆(5-2-3)、接收支架第二连接轴(5-2-4)以及接收支架顶杆(5-2-5)；接收支架中间杆(5-2-3)的两端通过接收支架第一连接轴(5-2-2)、接收支架第二连接轴(5-2-4)分别与接收支架底杆(5-2-1)和接收支架顶杆(5-2-5)连接，接收支架底杆(5-2-1)的底端固定在接收支架底座(5-1)上，所述接收板(2)置于接收支架顶杆(5-2-5)顶部。

6.根据权利要求5所述的基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述表面含有凸点(3-2)的待测平面(3)包括待测平面基准面(3-1)；所述凸点(3-2)置于待测平面基准面(3-1)的上表面；所述激光准直镜(1)、待测平面基准面(3-1)以及接收板(2)处于同一平面上。

7.根据权利要求6所述的基于光影的平面凸点高度测量装置，其特征在于：所述激光准直镜(1)所发射的激光束与待测平面基准面(3-1)的上表面平行且相切。

8.一种利用权利要求1所述的基于光影的平面凸点高度测量装置实现平面凸点高度测量的方法，其特征在于由以下步骤实现：

将激光准直镜(1)、待测平面基准面(3-1)以及接收板(2)调整至同一平面上，使激光准直镜(1)所发射的激光束与待测平面基准面(3-1)的上表面平行且相切，采集凸点(3-2)距离激光准直镜(1)的距离L₁以及凸点(3-2)距离接收板(2)的距离L₂，以待测平面基准面(3-1)为下止点，利用下式进行计算，

$H=h+h_2=h+\frac{L_1{h}_1}{L_1+L_2}---\left(1\right)$

其中：H为凸点(3-2)高度，单位cm；

L₁为凸点(3-2)距离激光准直镜(1)的距离，单位cm；

L₂为凸点(3-2)距离接收板(2)的距离，单位cm；

h为激光准直镜(1)理想光斑直径，单位cm；

h₁为激光准直镜(1)理想光斑半径与实际光斑半径之差，单位cm；

h₂为中间量值，单位cm；

得到待测平面(3)上的凸点(3-2)高度。