CN110487192A - 一种试样厚度测量装置、测量方法及试样厚度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种试样厚度测量装置、测量方法及试样厚度计算方法，包括用于通过缝隙光源照射试样两侧表面并成像至同一工业相机上的光学成像装置、用于夹持试样并带动试样运动的运动装置，光学成像装置包括用于向试样两侧照射缝隙光的两组照射组件和用于缝隙光成像的成像透镜组件，运动装置包括用于带动试样沿直线运动的X轴滑台以及用于带动试样旋转的旋转台，旋转台设置在X轴滑台上，旋转台上设置有用于夹持试样的试样夹持器，采用光学原理获得待测试样两面狭缝图像的差值，来获取待测试样的最小厚度，快速，高效，其结果可靠，无需对试样进行破坏，且测量的试样最小厚度精准度较高。

Description

一种试样厚度测量装置、测量方法及试样厚度计算方法

技术领域

本发明实施例涉及试样厚度测量技术领域，具体涉及一种试样厚度测量装置、测量方法及试样厚度计算方法。

背景技术

液压鼓胀试样或者小冲杆试样在变形前是一种片形试样，在液压作用下进行变形，在变形后，试样有可能会破损，其中变形前的试样为一平板，试样处处厚度相等，可以利用千分尺测量任意一点，即可以获得试样厚度。变形后的试样在液压的作用下发生了变形，甚至有的区域已经发生了破损，由于试样不同处的变形不等，因此变形后试样厚度会随着试样的不同位置的变化而变化。

目前较为常用的两种方法有：

一种方法是采用千分尺逐点多次对变形后的试样进行测量，然后比较测量结果，取测量得到的厚度的最小值作为变形后试样的最小厚度。但是这种方法的缺点是需要多次测量比较，效率较低；同时测量所获得的最小厚度仅为测量值中的最小值，由于测量位置的不同，该最小值并不一定与试样真实的最小值一致。

另一种方法是利用电火花切割或者机械切割，将试样切割成两块。之后再利用工具显微镜测量断面厚度的最小值。但这种测量方法需要分割试样，过程复杂，同时分割后的试样没有办法恢复，试样最小厚度的测量受试样分割的位置影响，测量结果仅为分割所得断面的最小厚度，而不是整个试样的最小厚度。

目前的两种方法测量过程复杂，而且所测得最小厚度不一定是试样的最小厚度。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种试样厚度测量装置、测量方法及试样厚度计算方法，以解决现有技术中由于现有技术不成熟而导致的不能准确测量试样厚度的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，一种试样厚度测量装置，包括用于通过缝隙光源照射试样两侧表面并成像至同一工业相机上的光学成像装置、用于夹持试样并带动试样运动的运动装置，所述光学成像装置包括用于向试样两侧照射缝隙光的两组照射组件和用于缝隙光成像的成像透镜组件，所述运动装置包括用于带动试样沿直线运动的X轴滑台以及用于带动试样旋转的旋转台，所述旋转台设置在X轴滑台上，所述旋转台上设置有用于夹持试样的试样夹持器。

进一步地，两组所述照射组件包括第一照射组件以及第二照射组件，所述第一照射组件包括垂直照射在试样一面上的左光源以及设置在左光源与试样之间的左缝隙光栅；所述第二照射组件包括垂直照射在试样另一面上的右光源和设置在右光源与试样之间的右缝隙光栅，所述左光源和右光源设置为平行光源，所述左光源与右光源发出的光线在同一平面内。

进一步地，所述成像透镜组件包括用于成像的工业相机和设置在工业相机上的成像镜头、设置在试样与成像镜头之间用于将光线导入至成像镜头上的若干个反射镜、设置在成像镜头与反光镜之间用于滤光的半透镜。

进一步地，所述X轴滑台设置为电控X轴滑台，所述旋转台设置为电控旋转台，所述电控X轴滑台和所述电控旋转台的运动均由步进电机控制。

进一步地，所述运动装置设置为包括有电控X轴滑台和电控旋转台的双轴转台。

进一步地，还包括用于避免外界杂散光源影响光路系统的暗箱，所述X轴滑台、旋转台以及光路系统均设置在暗箱内，所述暗箱表面做吸光处理。

根据本发明实施例的第二方面，一种试样厚度测量装置测量试样厚度的方法，包括以下步骤

S1、调整X轴滑台和旋转台位于初始位置；

S2、控制X轴滑台的步进电机移动一个步进量；

S3、控制旋转台的步进电机以一个步进量为单位旋转，直至旋转台旋转角度大于或等于360度，并在旋转台每旋转一个步进量的位置对试样进行取像动作；

S4、循环步骤S2。

根据本发明实施例的第三方面，一种试样厚度计算方法，包括以下步骤

S1、对工业相机获取的试样的某一试样图像调用工业相机的接口程序，获得所述试样图像的当前工业数字图像；

S2、对所述工业数字图像进行二值化处理，并获取左侧狭缝靠近右侧狭缝的边界线AB，以及右侧狭缝靠近左侧狭缝的边界线CD；

S3、生成与所述边界线AB和所述边界线CD均相交的若干个等间距平行直线，所述等间距平行线与所述边界线AB相交的交点记为ai、与所述边界线CD相交的交点记为bj，每一个所述等间距平行线与边界线AB和所述边界线CD相交的交点记为一组交点；

S4、生成交点坐标，并依次计算每一组ai和bj的距离，并取距离最小值；

S5、将交点的距离最小值通过线性变换得到最小厚度。

本发明实施例具有如下优点：利用在同一平面内的两个缝隙光源垂直照射试样的左右两个表面，由于试样发生了变形，因此缝隙光源照射在试样正反两个表面后所产生的光亮部分是在缝隙光源平面内的两条光亮带，设计光路将两条光亮带在同一工业CCD上成像。数字图像中，两条光亮带间最小像素距离与试样厚度成比例关系，计算可以得出当前光源照射位置试样的最小厚度，这种试样的测量方法利用计算机自动扫描测量不同位置试样的最小厚度，并进行比较得出试样的最小厚度，且快速，高效，其结果可靠，无需对试样进行破坏，且测量的试样最小厚度精准度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种试样厚度测量装置的光学成像装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种试样厚度测量装置的双轴转台结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种试样厚度测量装置的原始数字图像示意图；

图4为本发明实施例提供的一种试样厚度测量装置的数字图像二值化处理后的图像示意图；

图5本发明实施例提供的一种试样厚度测量装置的最小厚度计算的原理图；

图6本发明实施例提供的一种试样厚度测量装置的测量方法示意图。

图中：1、左光源；2、左缝隙光栅；3、X轴滑台；4、旋转台；5、待测试样；6、右缝隙光栅；7、右光源；8、右反射镜；9、左反射镜；10、中央反射镜；11、半透镜；12、成像镜头；13、工业相机；14、暗箱；15、试样夹具；16、旋转台步进电机；17、X轴滑台步进电机；18、固定基座。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：一种试样厚度测量装置，如图1和图2所示，包括用于通过缝隙光源照射试样两侧表面并成像至同一工业相机13上的光学成像装置、用于夹持试样并带动试样运动的运动装置。

参照图1所示，光学成像装置包括用于向试样两侧照射缝隙光的两组照射组件和成像透镜组件，在本实施例中，两组照射组件分别命名为第一照射组件和第二照射组件，其中第一照射组件包括垂直照射在试样一面上的左光源1、以及设置在左光源1与试样之间的左缝隙光栅2；第二照射组件包括垂直照射在试样另一面上的右光源7和设置在右光源7与试样之间的右缝隙光栅6，上述的左光源1和右光源7设置为平行光源，同时，左光源1与右光源7发出的光线在同一平面内，照射试样的两个表面，分别在两个表面形成光亮带。上述的成像透镜组件包括若干个反射镜、半透镜11、成像镜头12和工业相机13，在本实施例中，反射镜分别设置为三个，分别命名为左反射镜9、中央反射镜10和右反射镜8，上述的半透镜11用于滤光，在本实施例中半透镜11设置在试样的正下方，且倾斜设置，用于将试样左右两侧的反射光滤光后射入至成像镜头12上，成像镜头12设置在工业相机13的上方，工业相机13用于上述的左反射镜9和中央反射镜10用于将试样做表面的反射光反射到半透镜11上，试样左表面光经左反射镜9和中央反射镜10反射、之后穿过半透镜11和成像镜头12进入工业相机13；试样右表面光经右反射镜8和半透镜11反射后穿过成像镜头12进入工业相机13，为了保证能够获得缝隙光亮带清晰图像，需要调节成像镜头12与工业相机13之间的距离，利用均匀平板对光路系统进行校准。将一个与待测试样5等厚的的薄板固定在双轴移动平台，打开缝隙光源，调节光路系统反射镜,使得工业相机13所成像的左右狭缝像平行，且左右狭缝之间有一定距离。

参照图2所示，在本实施例中，运动装置设置为一个用于带动试样运动的双轴转台，双轴转台在本实施例中设置为由两种不同运动形式的转台组合而成，在本实施例中分别设置为电控的X轴滑台3和电控的旋转台4，其中电控旋转台4设置在X轴滑台3上方，由X轴滑台3带动。电控X轴滑台3与电控旋转台4为工业标准件，依据规格要求选定，每种滑台有可动部分和固定部分两部分组成，步进电机带动可动部分运动。X轴滑台3配备有限位开关，限制X轴滑台3在阈值范围内运动，如果超出阈值范围，限位开关导通，给出控制器信号，控制器控制X轴滑台3的电机停止运动，通常电控X轴滑台3由X轴滑台3步进电机带动，且X轴滑台3的可动部分可以在±10～20mm范围内做精密运动，X轴滑台3的可动部分的最小移动距离小于0.01mm；

通常电控旋转台4由旋转台4步进电机带动进行连续转动，旋转台4可动部分可以绕Y轴做360度旋转，其中，旋转台4的最小旋转角度小于0.1度。

电控旋转台4的固定基座18与X轴滑台3移动部分固定，从而使电控旋转台4由X轴滑台3带动下整体做直线运动。在电控旋转台4上还设置有试样夹持器，试样夹持器固定在电控旋转台4的可动部分上，用于夹持试样，即电控旋转台4的可动部分带动试样夹持器360度旋转，即X轴滑台3带动试样夹持器上的试样沿X轴做直线运动，电控旋转台4带动试样夹持器上的试样绕Y轴做360度的旋转运动。

在本实施例中，控制X轴滑台3与电控旋转台4一起运动，每个测量步由X轴滑台3步进一步后保持X轴滑台3静止，电控旋转台4每步进一步完成一次测量，直至完成360度旋转；之后X轴滑台3再带动试样平移至下一位置，完成旋转测量，测量过程中依此重复。整个测量过程X轴滑台3移动范围需覆盖试样大小，电控旋转台4大小为360旋转。由于上述设置为双轴转台的基本设置，在此不多加赘述。步进电机带动X轴滑台3和电控旋转台4做运动，步进电机与电机驱动器连接，电机驱动器接收控制软件发出的指令，进而完成步进电机运动的控制。

双轴转台也可设置为三轴转台等，只要能实现带动试样旋转并横向移动的设备均在本申请的保护范围之内。上述的左光源1和右光源7分别设置在试样夹持器的两侧，为保证试样能够被左光源1和右光源7照射，试样夹持器位于试样的两面均裸露在外部。上述的双轴转台的目的在于带动试样转动和移动，使照射组件能够照射到试样上两个表面的所有位置，并形成图像，以便于厚度数据采集的范围达到最大。在本实施例中，为避免外界杂散光源影响光路系统，双轴转台及光路系统布置于暗箱14内，暗箱14内表面做吸光处理。

利用处于同一平面内的两组照射组件垂直照射于试样表面，即分别照射待测试样5的左右表面，可以获得缝隙光平面与试样表面相交得到的一条在缝隙光平面内曲线，成像镜头12与缝隙光平面成一夹角，利用CCD可以获得相交曲线在成像平面的投影这样就可以测得试样两个表面的曲线或直线，通过计算即可以得出待测测样在当前缝隙光平面的高度或者深度，通过两个线之间的距离做差即可得试样当前位置的厚度。

如果待测试样5是一平面，缝隙光源照射到试样表面所成的像为直线，通过成像镜头12在CCD上投影为直线；如果待测试样5是一曲面，缝隙光源照射到试样表面，是在缝隙光平面内的曲线，该曲线透过成像镜头12在CCD面投影为曲线。利用几何关系，可以通过CCD所获图像信息计算得到待测试样5与缝隙光平面相交所得曲线信息，即反映待测试样5变形后的高度。

双轴转台的目的是稳定的固定待测试样5，并改变缝隙光平面与试样表面相交位置，进而可以测量获得当前位置最小厚度。利用循环、连续改变当前测量位置，系统性比较便可以获得整体试样的最小厚度。

参照图6所示，基于上述结构的一种试样厚度测量方法具体包括以下步骤，首先，调整光学成像装置各部件的位置，使左光源1和右光源7与试样表面垂直，且左光源1与右光源7位于同一平面上，同时两个光源成像在同一个工业相机13上。

依据测试程序的要求生成控制指令，并且送达至步进电机驱动器，驱动步进电机做相应的动作。

开始测试后，首先对X轴滑台3初始化。初始化分为两步进行：第一步，初始化程序为控制台控制X轴滑台3向X轴的负方向连续运动，直至触发X轴滑台3限位开关后停止，通过改变电机转动方向，控制X轴滑台3向X轴的正方向移动L1，其中L1的取值是为了保证X轴滑台3与限位开关完全分离，并且保证缝隙光源刚好能够照射到试样表面上。

第二步，控制X轴滑台3向X轴正方向上步进1步，控制电控旋转台4旋转角度大于360度，上述步骤完成后，再控制X轴滑台3向X轴正方向步进1步，控制电控旋转台4旋转大于360度。将当前X轴滑台3的位置记为x0，记当前为第0步，旋转台4的位置记为r0。

测量过程中，首先控制X轴滑台3停止，记当前步数为第i步，测量程序通过工业摄像机获得当前图像，并对当前图像进行处理，完成单次测量。图像处理成功后，程序控制旋转台4角度增加一个步进量dr，并获取图像进行测量。每次增加旋转角度，并相应的获得一张照片，直至续传角度达到360度后停止旋转。

控制X轴滑台3向X正方向移动一个步进量dx后停止，记当前步数为第i+1步，再次依照前步骤进行测量，如此往复循环。

当X轴滑台3步进至缝隙光源无法照射到试样表面时，停止测量，计总步进步数为第N步，测试完成。

测试完后成，为方便试样从夹具上取下，需要对X轴滑台3进行归位。归位程序为：保持转动平台不动，将滑台向X负方向移动N/2步后停止。

基于上述的试样测量装置和试样测量方法，一种试样厚度计算方法包括以下步骤

自动测量装置放置长时间不用后再次启用时，需要对设备进行标定，标定的主要目的是为了测量更准确，测量结果更可靠。

标准试样要求：标定过程中需要两块不同厚度的标准试样进行标定，标准试样为平板试样，标准试样需要保证其厚度处处相等，两块用于标定的标准试样厚度不同，标准试样厚度记为t1和t2，其中最小厚度小于待测试样5最小厚度的10％～30％，最大厚度大于待测试样5原始厚度的0～10％。

标准试样的测量：分别将两块标准试样装夹到夹具上，利用程序进行测量，测量得出其在数字图像上的最小距离分别为L1和L2。

标定参数的计算：已知标准试样的厚度为t1和t2，并利用本发明对两个标准试样进行测量，测得其数字图像最小距离L1和L2，可得测量系统常量k和C为k＝(t1-t2)/(L1-L2)，C＝(L1*t2-L2*t1)/(L1-L2)，标定完成。

收到主程程序执行测量功能的指令后，测量程序启动。

测量程序启动后，首先调用工业相机13的接口程序，获得当前工业数字图像，并传输至计算机进行显示，数字图像为狭缝光源照射在待测试样5表面，通过光路系统所成的像，如图5所示。

对数字图像进行二值化处理，二值化处理后的数字图像有清晰的边界，处理结果如图3和图4所示。

利用算法获得左侧狭缝靠近右侧狭缝的边界AB和右侧狭缝靠近左侧狭缝的边界CD。由于试样在试验完成后有变形，因此AB与CD可能不是直线而是曲线，但这并不影响计算过程。

参照图5所示，计算机程序自动生成一系列等间距平行直线，等间距平行线之间的距离为s。越小，最终结果计算结度精度越高，但计算时间长；反之s越大，最终结果计算结度精度越低，但计算时间短，综合考虑计算精度及计算时间，s取1～5个像素点。等间距平行线的方向要尽可能与AB、CD产生多的交点。

等间距平行线与左狭缝像边界AB相交，产生一系列交点，记为ai，其中1≤i≤N，与左狭缝像边界AB总共有N个交点，等间距平行线与右狭像边界CD相交，产生一系列交点，记为bj，其中1≤j≤M，与右狭像边界CD总共有M个交点，能过几何计算，即可以获得等间距平行线与AB交点ai的坐标(xai,yai)，与CD交点bj的坐标(xbj,ybj)。

依次计算等间距平行线与AB交点ai与CD交点bj的距离，Lij＝((xai-xbj)2+(yai-ybj)2)0.5。通过比较，取Lij最小值，记为Lmin。

Lmin为数字图像上得出的距离，实际最小厚度tmin需要利用Lmin做线性变换得出，计算公式为tmin＝kLmin+C，其中k和C为与测量系统相关的常量，即为上述的k＝(t1-t2)/(L1-L2)，C＝(L1*t2-L2*t1)/(L1-L2)。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种试样厚度测量装置，其特征是：包括用于通过缝隙光源照射试样两侧表面并成像至同一工业相机(13)上的光学成像装置、用于夹持试样并带动试样运动的运动装置，所述光学成像装置包括用于向试样两侧照射缝隙光的两组照射组件和用于缝隙光成像的成像透镜组件，所述运动装置包括用于带动试样沿直线运动的X轴滑台(3)以及用于带动试样旋转的旋转台(4)，所述旋转台(4)设置在X轴滑台(3)上，所述旋转台(4)上设置有用于夹持试样的试样夹持器。

2.根据权利要求1所述的一种试样厚度测量装置，其特征是：两组所述照射组件包括第一照射组件以及第二照射组件，所述第一照射组件包括垂直照射在试样一面上的左光源(1)以及设置在左光源(1)与试样之间的左缝隙光栅(2)；所述第二照射组件包括垂直照射在试样另一面上的右光源(7)和设置在右光源(7)与试样之间的右缝隙光栅(6)，所述左光源(1)和右光源(7)设置为平行光源，所述左光源(1)与右光源(7)发出的光线在同一平面内。

3.根据权利要求1所述的一种试样厚度测量装置，其特征是：所述成像透镜组件包括用于成像的工业相机(13)和设置在工业相机(13)上的成像镜头(12)、设置在试样与成像镜头(12)之间用于将光线导入至成像镜头(12)上的若干个反射镜、设置在成像镜头(12)与反光镜之间用于滤光的半透镜(11)。

4.根据权利要求1所述的一种试样厚度测量装置，其特征是：所述X轴滑台(3)设置为电控X轴滑台(3)，所述旋转台(4)设置为电控旋转台(4)，所述电控X轴滑台(3)和所述电控旋转台(4)的运动均由步进电机控制。

5.根据权利要求1所述的一种试样厚度测量装置，其特征是：所述运动装置设置为包括有电控X轴滑台(3)和电控旋转台(4)的双轴转台。

6.根据权利要求1所述的一种试样厚度测量装置，其特征是：还包括用于避免外界杂散光源影响光路系统的暗箱(14)，所述X轴滑台(3)、旋转台(4)以及光路系统均设置在暗箱(14)内，所述暗箱(14)表面做吸光处理。

7.一种试样厚度测量装置测量试样厚度的方法，其特征是：包括以下步骤

S1、调整X轴滑台(3)和旋转台(4)位于初始位置；

S2、控制X轴滑台(3)的步进电机移动一个步进量；

S3、控制旋转台(4)的步进电机以一个步进量为单位旋转，直至旋转台(4)旋转角度大于或等于360度，并在旋转台(4)每旋转一个步进量的位置对试样进行取像动作；

S4、循环步骤S2。

8.一种试样厚度计算方法，其特征是：包括以下步骤

S1、对工业相机(13)获取的试样的某一试样图像调用工业相机(13)的接口程序，获得所述试样图像的当前工业数字图像；

S2、对所述工业数字图像进行二值化处理，并获取左侧狭缝靠近右侧狭缝的边界线AB，以及右侧狭缝靠近左侧狭缝的边界线CD；

S3、生成与所述边界线AB和所述边界线CD均相交的若干个等间距平行直线，所述等间距平行线与所述边界线AB相交的交点记为ai、与所述边界线CD相交的交点记为bj，每一个所述等间距平行线与边界线AB和所述边界线CD相交的交点记为一组交点；

S4、生成交点坐标，并依次计算每一组ai和bj的距离，并取距离最小值；

S5、将交点的距离最小值通过线性变换得到最小厚度。