CN107907053A - 一种微位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了测量技术领域内的一种微位移测量系统，包括底座，底座上固连有安装板，安装板上连接有照相设备的本体，照相设备的镜头可相对照相设备的本体移动，安装板上还连接有激光支架，激光支架上连接有激光器，在前后方向上，激光支架设置在照相设备的一侧；底座上设有直线移动机构，直线移动机构上连接有可作往复直线运动的移动靶，在长度方向上，移动靶相对镜头设置；本发明结构简单，使用本系统可获取清晰的图像，方便后期图像处理。

Description

一种微位移测量系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种微位移测量系统。

背景技术

随着机器视觉技术、光电技术、图像处理等技术的发展，视觉测量技术得到了飞速的发展与应用。单目视觉测量作为一种非接触性的视觉测量方法，在许多领域内有着重要的应用。现有的单目视觉测量大多采用小孔成像模型，相机获取图像前无法进行位置调节，相机获取的图像会模糊，给图像处理带来困难，无法准确测量出被测物体的轮廓大小。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中获取图像模糊的技术问题，提供一种微位移测量系统，此装置结构简单，可获取清晰的图像，方便后期图像处理。

本发明的目的是这样实现的：一种微位移测量系统，包括底座，所述底座上固连有安装板，所述安装板上连接有照相设备的本体，所述照相设备的镜头可相对照相设备的本体移动，所述安装板上还连接有激光支架，所述激光支架上连接有激光器，在前后方向上，所述激光支架设置在照相设备的一侧；所述底座上设有直线移动机构，所述直线移动机构上连接有可作往复直线运动的移动靶，在长度方向上，所述移动靶相对镜头设置。

本发明工作时，打开激光器和照相设备，激光器发射出激光点并照射在移动靶上，激光点在相机中清晰的成像，当移动靶移动一段距离时，控制镜头移动使激光器发射在移动靶上的激光点依然可在照相设备的本体的成像面上清晰成像，同理，移动靶再移动时，只需控制镜头的移动使照射在移动靶上的光斑在成像面上清晰成像，方便后期图像处理；本发明结构简单，被测物体（物距不小于两倍焦距）或镜头在小范围内移动时（像距大于焦距且不超过两倍焦距），被测物体可在照相设备中始终清晰成像，方便后期图像处理，适合高精度测量；可应用于微位移测量的模拟实验工作中。

为了实现镜头的往复直线运动，还包括直线驱动器，直线驱动器上连接有可做往复直线运动的推拉杆，所述推拉杆的伸出端连接有镜头支架，所述镜头安装在镜头支架上。

为了实现移动靶的往复直线运动，所述底座上侧设有安装壳体，所述直线移动机构包括驱动电机，所述驱动电机上传动连接有螺杆，所述螺杆与安装壳体可转动地连接，所述安装壳体内对应的底座上固连有传动螺母，所述传动螺母与螺杆传动连接，所述移动靶一侧相对镜头设置，移动靶另一侧固连有至少一个导杆，所述导杆与传动螺母连接。

为了进一步提高镜头做往复直线运动的平稳性，还包括导向机构，所述导向机构包括导向座和导向杆，所述导向杆可在导向座内做往复直线运动，导向杆的伸出端与镜头支架可拆卸地连接，所述直线驱动器固连在导向座的顶部，所述导向杆与推拉杆相互平行。

为了实现移动靶和镜头移动距离的可控性，所述直线驱动器为直线电机，所述安装板在前后方向上的一侧固连有控制器，所述控制器接收驱动电机和直线驱动器发送过来的动作信号并控制直线电机和驱动电机的动作，控制器根据移动靶移动的距离控制镜头移动的距离使移动靶上的激光点可在照相设备的本体内清晰成像；此设计中，当驱动电机驱动螺杆的转动，根据螺杆的转动圈数可反推出传动螺母的移动距离，传动螺母的移动距离与移动靶相同，控制器通过控制驱动电机的动作控制传动螺母的移动距离，控制器驱动直线电机的动作并获取其位置，以控制镜头的移动距离。

为了使被测物体或镜头在微位移范围移动时，照射在被测物体上的光斑能始终在照相设备中清晰成像，微位移测量系统的移动靶移动距离为△L时，镜头移动的距离为△x，其表达式具体如下所示，

（1）；

（2）；

（3）；

其中，f为镜头中的透镜焦距，lp为被测物体上的光斑中心与镜头光轴之间距离，在这里被测物体为移动靶，y为激光照射在被测物体上在成像面所成像的位置与镜头光轴之间的距离，y可由（3）式求得；△L为移动靶移动的距离，镜头移动的方向与移动靶移动的方向相反； L为移动靶移动前光斑在移动靶所在平面与成像面之间的距离；此设计中，当被测物体移动一定距离后，控制器控制镜头移动△x，使照射在被测物体上的激光点能始终在照相设备中清晰成像。

为了进一步提高移动靶移动的平稳性，所述导杆设置有2个且相对移动靶在宽度方向上的中心对称设置。

作为本发明的进一步改进，所述照相设备为CCD相机或COMS相机或CMOS相机。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的A-A向视图。

图4为本发明中成像与激光点复合的测量模型图。

图5为小孔成像的测量模型图。

其中，1底座，2镜头，3照相设备，4控制器，5导向座，6直线驱动器，7推拉杆，8紧定螺钉一，9导向杆，10紧定螺钉二，11镜头支架，12安装板，13激光支架，14激光器，15紧定螺钉三，16移动靶，17直线移动机构，1701导杆，1702传动螺母，1703驱动电机，1704螺杆，18安装壳体，19紧定螺钉四，20螺纹孔一，21螺纹孔二，22螺纹孔三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1～图5所示的一种微位移测量系统，包括底座1，底座1上固连有安装板12，安装板12上连接有照相设备3的本体，照相设备3的镜头2可相对照相设备3的本体移动，安装板12上还连接有激光支架13，激光支架13上连接有激光器14，激光器14通过紧定螺钉四19与激光支架13连接，在前后方向上，激光支架13设置在照相设备3的一侧；底座1上设有直线移动机构17，直线移动机构17上连接有可作往复直线运动的移动靶16，在长度方向上，移动靶16相对镜头2设置；其中，照相设备3为CCD相机。

为了实现镜头2的往复直线运动，还包括直线驱动器6，直线驱动器6上连接有可做往复直线运动的推拉杆7，推拉杆7的伸出端与镜头支架11可拆卸地连接，具体的为，镜头支架11上开有2个螺纹孔一20，使用紧定螺钉一8穿过螺纹孔一20使推拉杆与镜头支架11连接在一起；镜头2安装在镜头支架11上，具体的为，镜头支架11下部的圆周上排布有三个螺纹孔三22，使用紧定螺钉三15穿过螺纹孔三22使镜头2固连在镜头支架11上。

为了实现移动靶16的往复直线运动，底座1上侧设有安装壳体18，直线移动机构17包括驱动电机1703，驱动电机1703上传动连接有螺杆1704，螺杆1704与安装壳体18可转动地连接，安装壳体18内对应的底座1上固连有传动螺母1702，传动螺母1702与螺杆1704传动连接，移动靶16一侧相对镜头2设置，移动靶16另一侧固连有2个导杆1701，导杆1701相对移动靶16在宽度方向上的中心对称设置，导杆1701与传动螺母1702连接。

为了进一步提高镜头2做往复直线运动的平稳性，还包括导向机构，导向机构包括导向座5和导向杆9，导向杆9可在导向座5内做往复直线运动，导向杆9的伸出端与镜头支架11可拆卸地连接，具体的为，镜头支架11上还开有2个螺纹孔二21，使用紧定螺钉二10穿过螺纹孔二21使导向杆9的伸出端与镜头2连接在一起，直线驱动器6固连在导向座5的顶部，导向杆9与推拉杆7相互平行，导向座与安装板12固连。

为了实现移动靶16和镜头2移动距离的可控性，直线驱动器6为直线电机，推拉杆7为直线电机中做往复直线运动的直线轴，安装板12在前后方向上的一侧固连有控制器4，控制器4接收驱动电机1703和直线驱动器6发送过来的动作信号并控制直线电机和驱动电机1703的动作，控制器4根据移动靶16移动的距离控制镜头2移动的距离使移动靶16上的激光点可在照相设备3的本体内清晰成像；此设计中，当驱动电机1703驱动螺杆1704的转动，根据螺杆1704的转动圈数可反推出传动螺母1702的移动距离，传动螺母1702的移动距离与移动靶16相同，控制器4通过控制驱动电机1703的动作控制传动螺母1702的移动距离，控制器4驱动直线电机的动作并获取其位置，以控制镜头2的移动距离。

为了使被测物体或镜头2在微位移范围移动时，照射在被测物体上的光斑能始终在照相设备3中清晰成像，微位移测量系统的移动靶16移动距离为△L时，镜头2移动的距离为△x（如图4所示，为了简化模型，本实施例中，镜头2光轴与CCD成像平面的中心重合），其表达式具体如下所示，

（1）；

（2）；

（3）；

其中，f为镜头2中的透镜焦距，lp为被测物体上的光斑中心与镜头2光轴之间距离，在这里被测物体为移动靶16，y为激光照射在被测物体上在成像面所成像的位置与镜头2光轴之间的距离，y可由（3）式求得；△L为移动靶16移动的距离，镜头2移动的方向与移动靶16移动的方向相反； L为移动靶16移动前光斑在移动靶16所在平面与成像面之间的距离，使用三坐标测量机测量出距离L，△L由控制器4根据驱动电机1703的反馈信号分析得到，根据（3）式可以求得y的大小，由公式（2）求得△y，由（1）式求得镜头2需移动的距离，控制器4根据计算出来的镜头2的移动距离控制直线电机的动作，使镜头2在移动距离为△x时停下，被测物体在微位移后，照射在被测物体上的光斑仍然在CCD相机的成像平面上清晰成像。

本发明工作时，打开激光器14和CCD相机，激光器14发射出激光点并照射在移动靶16上，激光点在相机中清晰的成像，当移动靶16移动一段距离时，控制器4驱动直线电机动作，控制镜头2的移动距离使激光器14发射在移动靶16上的激光点依然可在照相设备3的本体的成像面上清晰成像，同理，移动靶16再次移动时，控制器4再次控制镜头2的移动距离使照射在移动靶16上的光斑在CCD的成像面上清晰成像，方便后期图像处理，通过公式（1）-（3）可根据被测物体的移动距离直接计算出镜头2该移动的距离，从而使得被测物体进行微位移时，被测物体上的光斑可始终在CCD成像面上清晰成像；本发明结构简单，被测物体（物距不小于两倍焦距）或镜头2在小范围内移动时（像距大于焦距且不超过两倍焦距），被测物体可在照相设备3中始终清晰成像，方便后期图像处理，适合高精度测量；可应用于微位移测量的工作中。

将本发明中的模型与现有技术中小孔成像的模型（如图5所示）作对比，现有技术中的模型建立具体如下所示，

当被测物体距离CCD面移动一个很小的位移时，则：

（4）；

（5）；

（6）；

由公式（6）可得， （7）；

当较小时，可以将(7)式转化为下式：

（8）；

由（4）式可得，代入公式（8）得到：

（9）；

其中，L’为被测物体移动前被测物体与CCD成像面之间的距离，’为被测物体移动的距离，△y’为被测物体移动前在CCD成像面上的成像中心与被测物体移动后在CCD成像面上的成像中心之间的距离，y’为被测物体移动前照射在被测物体上的激光点在CCD成像面的成像位置与CCD成像面的中心之间的距离，y₁’为被测物体移动后 照射在被测物体上的激光点在CCD成像面的成像位置与CCD成像面的中心之间的距离。

假设f=25mm，lp=25mm，L’=100mm，△L’=0.1um，则um，△y’的变化不明显，此时用CCD成像很难区分出这个变化，即当被测物体相对CCD成像面做出很小的位移时，激光器14发出的激光源照射在被测物体上形成的光斑反射到CCD相机中时很难区分出变化，测量精度很低。

而相同条件下，本实施例中的△y与△L的关系为：

（11）；

从公式（11）可知，当=0.1um时，=49.95um，的变化明显，此时用CCD成像很清晰地区分出这个变化，即当被测物体相对CCD成像面做出很小的位移时，激光器14发出的激光源照射在被测物体上形成的光斑反射到CCD相机中时很明显的区分出变换，测量精度高，方便后期图像处理。

本发明并不局限于上述实施例，照相设备不局限于以上实施例中给出的CCD相机，照相设备还可为CMOS等方便进行图像处理的相机，本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种微位移测量系统，其特征在于：包括底座，所述底座上固连有安装板，所述安装板上连接有照相设备的本体，所述照相设备的镜头可相对照相设备的本体移动，所述安装板上还连接有激光支架，所述激光支架上连接有激光器，在前后方向上，所述激光支架设置在照相设备的一侧；所述底座上设有直线移动机构，所述直线移动机构上连接有可作往复直线运动的移动靶，在长度方向上，所述移动靶相对镜头设置。

2.根据权利要求1所述的一种微位移测量系统，其特征在于：还包括直线驱动器，直线驱动器上连接有可做往复直线运动的推拉杆，所述推拉杆的伸出端连接有镜头支架，所述镜头安装在镜头支架上。

3.根据权利要求1所述的一种微位移测量系统，其特征在于：所述底座上侧设有安装壳体，所述直线移动机构包括驱动电机，所述驱动电机上传动连接有螺杆，所述螺杆与安装壳体可转动地连接，所述安装壳体内对应的底座上固连有传动螺母，所述传动螺母与螺杆传动连接，所述移动靶一侧相对镜头设置，移动靶另一侧固连有至少一个导杆，所述导杆与传动螺母连接。

4.根据权利要求3所述的一种微位移测量系统，其特征在于：还包括导向机构，所述导向机构包括导向座和导向杆，所述导向杆可在导向座内做往复直线运动，导向杆的伸出端与镜头支架可拆卸地连接，所述直线驱动器固连在导向座的顶部，所述导向杆与推拉杆相互平行。

5.根据权利要求4所述的一种微位移测量系统，其特征在于：所述直线驱动器为直线电机，所述安装板在前后方向上的一侧固连有控制器，所述控制器接收驱动电机和直线驱动器发送过来的动作信号并控制直线电机和驱动电机的动作，控制器根据移动靶移动的距离控制镜头移动的距离使移动靶上的激光点可在照相设备的本体内清晰成像。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种微位移测量系统，其特征在于：微位移测量系统的移动靶移动距离为△L时，镜头移动的距离为△x，其表达式具体如下所示，

（1）；

（2）；

（3）；

其中，f为镜头中的透镜焦距，lp为被测物体上的光斑中心与镜头光轴之间距离，在这里被测物体为移动靶，y为激光照射在被测物体上在成像面所成像的位置与镜头光轴之间的距离，y可由（3）式求得；△L为移动靶移动的距离，镜头移动的方向与移动靶移动的方向相反； L为移动靶移动前光斑在移动靶所在平面与成像面之间的距离。

7.根据权利要求3～5任一项所述的一种微位移测量系统，其特征在于：所述导杆设置有2个且相对移动靶在宽度方向上的中心对称设置。

8.根据权利要求1～5任一项所述的一种微位移测量系统，其特征在于：所述照相设备为CCD相机或CMOS相机。