CN114322784B - 一种基于阴影法的微小位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阴影法的微小位移测量装置及方法，包括测量系统和电控位移台，测量系统包括粘弹性胶体、工作台、平行光源、图像传感器，待测位移施加在工作台上，粘弹性胶体与圆柱支撑杆接触的表面发生凹陷，平行光源出射圆形光斑到工作台的其中任意一个圆柱支撑杆上，发生凹陷的粘弹性胶体的表面使平行光线发生折射并在粘弹性胶体的下方形成阴影，通过图像传感器采集阴影的图像，从而通过未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化获得待测位移；电控位移台用于对工作台施加标定位移，用以获得工作台的位移变化与变化的阴影直径之间的关系。本发明具有分辨力高且抗干扰性强的优点。

Description

一种基于阴影法的微小位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微小位移测量技术，特别涉及一种基于阴影法的微小位移测量装置及方法。

背景技术

微小位移测量作为测量领域的一个重要分支，在传感器设计、航空航海、武器工业、生产制造等领域有着重要的意义，是各国工业的科技发展水平的重要标志。常用的位移传感器有电感式、电容式、光电式、霍尔式等，电感式激光位移传感器。可精确地测量位移，但其结构复杂，抗干扰能力差，无法在一些复杂的测量环境下有效的使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于阴影法的微小位移测量装置及方法，具有装置简单、分辨力高且抗干扰能力强的优点，可以弥补相关技术的空缺。

本发明所采用的技术方案是：一种基于阴影法的微小位移测量装置，所述测量装置包括测量系统，所述测量系统包括：

粘弹性胶体；

工作台，所述工作台的底面设置有若干个圆柱支撑杆，所述工作台通过所述圆柱支撑杆放置在所述粘弹性胶体上；

平行光源，所述平行光源布置在所述粘弹性胶体的上方；以及

图像传感器，所述图像传感器布置在所述粘弹性胶体的下方；

其中，待测位移施加在所述工作台上，所述粘弹性胶体与所述圆柱支撑杆接触的表面发生凹陷，所述平行光源出射圆形光斑到所述工作台的其中任意一个所述圆柱支撑杆上，发生凹陷的所述粘弹性胶体的表面使平行光线发生折射并在所述粘弹性胶体的下方形成阴影，通过所述图像传感器采集所述阴影的图像，从而通过未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化获得所述待测位移；

所述测量装置还包括电控位移台，所述电控位移台用于对所述工作台施加标定位移，用以获得所述工作台的位移变化与变化的所述阴影直径之间的关系。

进一步地，所述平行光源的主光轴与所述粘弹性胶体的表面垂直。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于阴影法的微小位移测量方法，所述测量方法采用上述测量装置，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1，搭建所述测量装置，并获得所述工作台未施加位移时所述阴影的直径D₁；

步骤2，利用所述电控位移台输出设定标定位移到所述工作台上，获得所述工作台的位移变化△h_a；所述平行光源出射圆形光斑到所述工作台的其中任意一个所述圆柱支撑杆上，发生凹陷的所述粘弹性胶体的表面使平行光线发生折射并在所述粘弹性胶体的下方形成阴影，通过所述图像传感器采集所述阴影的图像，并获得此时所述阴影的直径D₂，计算得到变化的所述阴影直径△D＝D₂-D₁；

步骤3，重复步骤2，获得若干组(△D，△h_a)数值；

步骤4，以△D为横坐标、△h_a为纵坐标建立坐标系，将若干组离散的(△D，△h_a)数值绘制在所述坐标系上，并拟合得到所述工作台的位移变化△h_a与变化的所述阴影直径△D之间的关系，如式(2)所示：

△h_a＝K·△D (2)

式中，K为系数；

步骤5，将待测位移施加在所述工作台上，并获得未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化，通过公式(2)获得施加待测位移后的所述工作台的位移变化，从而获得待测位移。

本发明的有益效果是：本发明一种基于阴影法的微小位移测量装置及方法，由于胶体的粘弹性，具有分辨力高且抗干扰性强的优点。该装置的分辨力由图像传感器的像元尺寸、光斑大小、图像传感器与粘弹性胶体表面之间的距离等参数决定。并可根据不同的应用场景，改变相应参数(参数为图像传感器的像元尺寸、光斑大小、图像传感器与粘弹性胶体表面之间的距离等参数)以适应不同的测力范围。该装置及方法的提出，能够突破现有的微小位移测量抗干扰能力不足的局限性。

附图说明

图1：本发明基于阴影法的微小位移测量装置结构示意图；

图2：本发明的工作台结构示意图；

图3：接触力学模型示意图；

图4：光线传播示意图；

图5a：标定试验中压深0μm时得到的阴影数据；

图5b：标定试验中压深2μm时得到的阴影数据；

图5c：标定试验中压深4μm时得到的阴影数据；

图5d：标定试验中压深6μm时得到的阴影数据；

图5e：标定试验中压深8μm时得到的阴影数据；

图5f：标定试验中压深10μm时得到的阴影数据；

图6：标定实验实例中工作台位移与阴影直径之间的关系；

图7：测量系统噪声放大系数β与阻尼比ζ的关系。

附图标注：

1——平行光源； 2——工作台；

21——圆柱支撑杆； 3——电控位移台；

4——粘弹性胶体； 5——图像传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明项目由天津市研究生科研创新项目资助，项目编号为2020YJSB012。

本发明旨在实现微小位移的高精度测量。为了实现该目的，基于阴影法设计了一种高精度测量装置及方法，本技术方案对于高精度、抗干扰能力强的微小位移测量具有重要的意义，可以满足相关应用要求。

如图1所示，一种基于阴影法的微小位移测量装置，包括测量系统和电控位移台3。

所述测量系统包括粘弹性胶体4、工作台2、平行光源1和图像传感器5。所述粘弹性胶体4采用聚二甲基硅氧烷制成。所述工作台2的底面设置有若干个圆柱支撑杆21，所述工作台2通过所述圆柱支撑杆21放置在所述粘弹性胶体4上；所述圆柱支撑杆21的设置个数越少，所述测量系统的灵敏度越高，同时，考虑所述工作台2的平衡性，本实施例中，所述圆柱支撑杆21个数为三个，如图2所示。

所述平行光源1放置在所述粘弹性胶体4的正上方，出射平行光斑，所述平行光源1的主光轴与所述粘弹性胶体4的表面垂直，设所述粘弹性胶体4表面垂直的方向为z轴。

所述图像传感器5固定放置在所述粘弹性胶体4的正下方，用于采集阴影的图像。

所述电控位移台3用于对所述工作台2施加标定位移，用以获得所述工作台2的位移变化与变化的所述阴影直径之间的关系。标定试验时，所述电控位移台3与所述工作台2相接触，所述电控位移台3可带动所述工作台2沿z轴方向运动可知的移动距离。

待测位移施加在所述工作台2上，所述粘弹性胶体4与所述圆柱支撑杆21接触的表面发生凹陷，所述平行光源1出射圆形光斑到所述工作台2的其中任意一个所述圆柱支撑杆21上，发生凹陷的所述粘弹性胶体4的表面使平行光线发生折射并在所述粘弹性胶体4的下方形成阴影，通过所述图像传感器5采集所述阴影的图像，从而通过未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化获得所述待测位移。

基于上述测量装置的测量方法，如下所述：

步骤1，完成所述测量装置的搭建。将所述工作台2与所述电控位移台3相连接，所述平行光源1出射圆形光斑到所述工作台2的其中任意一个所述圆柱支撑杆21上，并获得所述工作台2未施加位移时所述阴影的直径D₁。

步骤2，利用所述电控位移台3输出设定标定位移到所述工作台2上，获得所述工作台2的位移变化△h_a。如图3所示，将原点设置在所述圆柱支撑杆21的底面中心，所述圆柱支撑杆21的任意半径方向为x轴，所述圆柱支撑杆21的轴线方向为z轴(所述圆柱支撑杆21的轴线方向与所述粘弹性胶体4的表面垂直)，图3中，F_N为施加位移时受到的法向力。在xz平面上，根据接触力学相关模型，可得到圆柱支撑杆21压弯的粘弹性胶体4表面轮廓d(x)如式(1)所示：

其中，a为所述圆柱支撑杆21的半径，h_a为所述圆柱支撑杆21的压深。

由于所述粘弹性胶体4表面凹陷，使平行光线发生折射，对微小的位移有着稳定且良好的放大功能，会在粘弹性胶体4下方生成高分辨力的的阴影。光线传播示意图如图4所示。

通过所述图像传感器5采集所述阴影的图像，通过图像处理拟合阴影的阴影直径D₂，计算得到变化的所述阴影直径△D＝D₂-D₁。

步骤3，重复步骤2，获得若干组(△D，△h_a)数值。

步骤4，以△D为横坐标、△h_a为纵坐标建立坐标系，将若干组离散的(△D，△h_a)数值绘制在该坐标系上，并拟合得到所述工作台2的位移变化△h_a与变化的所述阴影直径△D之间的关系，如式(1)所示：

△h_a＝K·△D (2)

式中，K为系数，与平行光源1准直性、工作台2圆柱支撑杆21的直径、图像传感器5的像元尺寸，以及图像传感器5与粘弹性胶体4上表面的距离等参数有关。

步骤5，根据公式(2)，即可进行位移测量。将待测位移施加在所述工作台2上，并获得未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化，通过公式(2)获得施加待测位移后的所述工作台2的位移变化，从而获得待测位移。

本发明采用粘弹性胶体4，具有对噪声的抑制作用和阴影对移动距离分辨力高的优点。当有环境扰动影响时，噪声信号表现为高斯白噪声，可以将所述测量系统定性描述为弹簧-质量-阻尼二阶系统，其频率响应函数为：

高斯白噪声激励下，功率谱密度是一个常数W₀，所述测量系统受到外界振动影响输出的振幅的均方与功率谱密度W₀的关系可以表示为：

其中，β为放大系数，如式(4)所示：

式中，表示所述测量系统受到外界振动影响输出的振幅；ω为频率；W₀为功率谱密度；H(ω)为频率响应函数；ω_n为所述测量系统的固有频率；ζ为所述测量系统的阻尼比；k为所述测量系统的刚度。当k为某一定值时，β与ζ的关系可以用图7曲线表示，当阻尼比较高时，可以极大的减小噪声的影响。

由上述说明可知，本发明利用粘弹性胶体4的粘弹性对噪声的抑制作用和阴影对移动距离分辨力高的优点，设计一种结构简单、分辨力高的装置，可以实现微小位移的高精度测量。

标定试验实例：平行光源1工作距离为250mm，出射光斑直径为0.7mm，以30:1的聚二甲基硅氧烷为相应的粘弹性胶体4，以纳米位移台为电控位移台3，以配有5倍放大镜头的佳能EOS80D为图像传感器5，得到的图像如图5a～5f所示(图5a为压深0μm时得到的阴影图像，图5b为压深2μm时得到的阴影图像，图5c为压深4μm时得到的阴影图像，图5d为压深6μm时得到的阴影图像，图5e为压深8μm时得到的阴影图像，图5f为压深10μm时得到的阴影图像)，镜头与粘弹性胶体4上表面的距离为200mm，工作台2圆柱支撑杆21的直径为0.5mm，进行工作台2位移与阴影直径的标定实验，实验结果如图6所示，阴影直径用像素个数(pixel)来表示，位移的单位为μm，得到关系式△h_a＝0.01355·△D，表明一个像素点可以分辨13.6nm的位移，再进行亚像素细分，可以进一步提高分辨力。图6中，R²为拟合优度，R²＝0.9998。

利用刚性小球撞击微力工作台2，发生的弹性碰撞引起微力工作台2上下振动，导致阴影直径周期性衰减振动。利用高速相机采集阴影直径随时间的变化，采用公式(5)和(6)，计算得到所述测量系统的固有频率ω_n为342.51Hz，阻尼比ζ为0.22：

式中，A_i是实时采集到阴影直径的第i个幅值，A_i+N是实时采集到阴影直径的第(i+N)个幅值，N是自然数，T_d是振动的周期。

根据公式(3)，得到如图7所示的衰减曲线，可以得到，阻尼比ζ为0.22时，系统噪声放大系数β极大的衰减，为0.1037。

综上所述，本发明基于阴影法的微小位移测量装置及方法，能够利用阴影法对工作台2位移进行高分辨力测量，具有分辨力高且抗干扰能力强的优点。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于阴影法的微小位移测量装置，其特征在于，所述测量装置包括测量系统，所述测量系统包括：

粘弹性胶体(4)；

工作台(2)，所述工作台(2)的底面设置有若干个圆柱支撑杆(21)，所述工作台(2)通过所述圆柱支撑杆(21)放置在所述粘弹性胶体(4)上；

平行光源(1)，所述平行光源(1)布置在所述粘弹性胶体(4)的上方；以及

图像传感器(5)，所述图像传感器(5)布置在所述粘弹性胶体(4)的下方；

其中，待测位移施加在所述工作台(2)上，所述粘弹性胶体(4)与所述圆柱支撑杆(21)接触的表面发生凹陷，所述平行光源(1)出射圆形光斑到所述工作台(2)的其中任意一个所述圆柱支撑杆(21)上，发生凹陷的所述粘弹性胶体(4)的表面使平行光线发生折射并在所述粘弹性胶体(4)的下方形成阴影，通过所述图像传感器(5)采集所述阴影的图像，从而通过未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化获得所述待测位移；

所述测量装置还包括电控位移台(3)，所述电控位移台(3)用于对所述工作台(2)施加标定位移，用以获得所述工作台(2)的位移变化与变化的所述阴影直径之间的关系。

2.根据权利要求1所述的基于阴影法的微小位移测量装置，其特征在于，所述平行光源(1)的主光轴与所述粘弹性胶体(4)的表面垂直。

3.一种基于阴影法的微小位移测量方法，其特征在于，所述测量方法采用如权利要求1或2所述的测量装置，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1，搭建所述测量装置，并获得所述工作台(2)未施加位移时所述阴影的直径D₁；

步骤2，利用所述电控位移台(3)输出设定标定位移到所述工作台(2)上，获得所述工作台(2)的位移变化△h_a；所述平行光源(1)出射圆形光斑到所述工作台(2)的其中任意一个所述圆柱支撑杆(21)上，发生凹陷的所述粘弹性胶体(4)的表面使平行光线发生折射并在所述粘弹性胶体(4)的下方形成阴影，通过所述图像传感器(5)采集所述阴影的图像，并获得此时所述阴影的直径D₂，计算得到变化的所述阴影直径△D＝D₂-D₁；

步骤3，重复步骤2，获得若干组(△D，△h_a)数值；

步骤4，以△D为横坐标、△h_a为纵坐标建立坐标系，将若干组离散的(△D，△h_a)数值绘制在所述坐标系上，并拟合得到所述工作台(2)的位移变化△h_a与变化的所述阴影直径△D之间的关系，如式(2)所示：

△h_a＝K·△D (2)

式中，K为系数；

步骤5，将待测位移施加在所述工作台(2)上，并获得未施加待测位移之前所形成的阴影直径和施加待测位移之后所形成的阴影直径的变化，通过公式(2)获得施加待测位移后的所述工作台(2)的位移变化，从而获得待测位移。