CN114440789B - 旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线激光干涉的旋转物体速度、距离和三维绝对形貌同步测量方法和系统，包括以下步骤：将待测物体设置在电机主轴上，启动电机，设置主轴转速，使待测物体随电机主轴旋转；通过散射光图像采集模块对被测物表面散射光进行采集，获得对应于不同时刻的被测物表面散射光图像。本发明利用Mach–Zehnder干涉仪、平凸圆柱透镜、双波长激光光源和两个窄带滤光片，在被测物表面形成两个互相倾斜成固定角度的线激光干涉条纹测量体，建立被测物表面距离和散射光相位差之间的线性关系，突破了传统激光多普勒测速原理的限制，并且无需机械式扫描，实现对运动表面速度和距离的多点同时测量，基于此，通过相关算法可同时测得旋转状态下物体的三维绝对形貌。

Description

旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法及系统

技术领域

本发明涉及测试计量技术及仪器技术领域，具体而言，尤其涉及旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法

背景技术

现有的测量技术，通常采用接触式的三坐标测量机和探针测量技术不能测量快速运动的物体；非接触式的，基于三角法的激光三角传感器、结构光投影技术和基于传统干涉方法的低相干干涉术、锥光全息术、色散白光干涉术、绝对距离干涉术等只能测量距离，所以这些测量技术固有的一个缺陷是：它们本身只能测量旋转物体表面轮廓，无法实现绝对形状的测量(测量角度分辨的绝对直径)，因为这些技术不能测量作为基准的旋转轴位置；现有的方法和系统无法实现仅用单个传感器同时测量旋转物体表面多点的速度、距离和三维绝对形貌。

发明内容

根据上述提出无法实现绝对形状的测量的技术问题，而提供一种基于线激光干涉的旋转物体速度、距离和三维绝对形貌同步测量系统及测量方法。本发明主要通过基于线激光干涉的旋转物体速度、距离和三维绝对形貌同步测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将待测物体设置在电机主轴上，启动电机，设置主轴转速ω，使所述待测物体随电机主轴旋转；

步骤S2：通过散射光图像采集模块对被测物体的表面散射光进行图像采集，获得对应于不同时刻的被测物体表面的散射光图像；

采集到的时间序列图像中散射光强度受到多普勒频率f_D调制；通过公式(1)～(5)，对线激光干涉条纹测量体覆盖物体表面区域的图像进行分割，获得被测物体表面多点的散射光信号，通过快速傅里叶变换评估多普勒频率f_D和标定条纹间距d，测得圆周角度α、表面高度y和时间T分辨的与干涉条纹方向垂直的速度v(α,y,T)、轴向距离z(α,y,T)和被测物体三维绝对形貌r(α,y,T)；具体地，算法为：

v(α,y,T)＝f_D(α,y,T)·d；(1)

轴向距离z可以同时通过式(2)获得：

z(α,y,T)＝φ(α,y,T)·s^-1；(2)

式(2)中s＝2πtan(Ψ)/d是标定的两个干涉条纹测量体相互倾斜的斜率；

计算不同表面高度的平均速度

和平均距离/>

被测试样的三维绝对形貌r(α,y,T)通过式(5)获取：

本发明还包含基于线激光干涉的旋转物体速度、距离和三维绝对形貌同步测量系统，包括：光源模块、线激光干涉传感器模块以及散射光图像采集模块；

所述光源模块，两束不同波长的激光在光源模块中从两个半导体激光器中射出，通过光纤耦合器汇聚在一根单模光纤中，单模光纤连接线激光干涉传感器模块的入射端；

所述线激光干涉传感器模块，双波长激光束通过凸透镜准直形成平行光束照射在圆柱透镜上，圆柱透镜只对光束在x方向起到聚焦作用，之后，激光束通过透射光栅和两个滤光片，形成两对双波长的激光束，通过两个凸透镜组成的开普勒望远镜结构，形成线激光束聚焦在被测旋转物体12的表面发生干涉，被测旋转物体表面干涉条纹覆盖区域的散射光通过开普勒构造中的透镜形成平行光束，接着经过分束器，从线激光干涉传感器模块出射到散射光图像采集模块；

所述散射光图像采集模块，散射光经过两个滤光片，以及通过只对y方向聚焦的圆柱透镜，形成一个双波长散射光信号互相关角度，并且调整散射光的y方向尺寸，之后散射光通过分束器分别射入两个图像采集通道，两个波长的散射光经过两个通道中的滤光片后分开，通过对应的只对x方向聚焦的圆柱透镜调整其x方向的尺寸，最后入射到对应的两个相机上形成散射光图像。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用Mach–Zehnder干涉仪、双波长激光光源和两个窄带滤光片在被测物表面形成两个互相倾斜成固定角度的干涉条纹测量体，建立被测物表面距离和散射光相位差之间的线性关系，从而突破传统激光多普勒测速原理的限制，实现对运动物体速度和距离的同时测量，基于此，通过数学关系式计算出旋转状态下被测物的三维绝对形貌。

2、本发明利用平凸圆柱透镜调控激光光源形状，形成线激光干涉，大大增加了测量范围的同时避免了机械式扫描，消除了扫描导致的测量不确定度和偏差，实现了高精度的多点同步测量。

3、本发明利用相机拍摄被测物表面散射光图像，实现了干涉条纹测量体范围内全场同步测量，并且通过以像素为单位的图像分割，进一步提高了测量精度。

4、本发明利用计算机中的相关算法程序处理散射光图像得到被测物的速度、距离和三维绝对形貌信息，为快速旋转物体的动态行为和绝对几何形状测量提供一种高精度和非接触并且方便易行的测量系统及测量方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体系统示意图。

图2为线激光干涉条纹测量体图像。

图3为互相倾斜的干涉条纹测量体示意图。

图中标号：1半导体激光器、2半导体激光器、3光纤耦合器、4单模光纤、5凸透镜、6圆柱透镜、7透射光栅、8凸透镜、9滤光片、10滤光片、11凸透镜、12被测旋转物体、13分束器、14滤光片、15滤光片、16圆柱透镜、17分束器、18滤光片、19滤光片、20圆柱透镜、21圆柱透镜、22相机、23相机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-3所示，本发明提供了一种本实施例中基于线激光干涉的运动物体速度、距离和三维绝对形貌同步测量的方法是：对于处在设定的旋转速度的被测试样，将线激光干涉条纹投射于所述被测试样的表面；利用散射光图像采集模块对所述被测试样的表面进行图像采集，获得对应于不同时刻的被测试样表面干涉条纹覆盖区域的散射光图像，通过对所述各采集图像进行相关的图像处理，获得被测试样表面的全场动态行为和绝对几何形状信息。

参见图1，本实施例中基于线激光干涉的运动物体速度、距离和三维绝对形貌同步测量系统的系统构成包括：

光源模块，两束不同波长的激光在光源模块中从两个半导体激光二极管1、2中射出，通过光纤耦合器3汇聚在一根单模光纤4中，单模光纤4连接线激光干涉传感器模块的入射端；

线激光干涉传感器模块，双波长激光束通过准直凸透镜5形成平行光束照射在平凸圆柱透镜6上，平凸圆柱透镜6只对光束在x方向起到聚焦作用，之后，激光束通过透射光栅7和两个滤光片9、10，形成两对双波长的激光束，通过两个凸透镜8、11组成的开普勒望远镜结构，形成线激光束聚焦在被测旋转物体12的表面发生干涉，被测旋转物体12表面干涉条纹内的散射光通过开普勒构造中的第二个透镜11形成平行光束，接着经过分束器13，从线激光干涉传感器模块出射到散射光图像采集模块；

散射光图像采集模块，散射光经过两个滤光片14、15，以及通过只对y方向聚焦的平凸圆柱透镜16，形成一个双波长散射光信号互相关角度并且控制散射光的y方向尺寸，之后散射光通过一个分束器17分别射入两个图像采集通道，两个波长的散射光经过两个通道中的滤光片18、19后分开，通过对应的只对x方向聚焦的平凸柱透镜20、21调整其x方向的尺寸，最后入射到对应的两个相机22、23上形成散射光图像。

具体实施中，激光光源固定在金属盒中，激光干涉传感器和相机通过螺钉分别固定在底座上，金属盒和底座可以针对被测物的位置灵活放置。

具体的本发明还包含一种测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：将被测试样安装在电机主轴上；双波长线激光通过线激光干涉传感器投射于被测试样的表面聚焦形成干涉条纹；调整散射光图像采集模块的透镜组使两个相机可以对被测试样表面干涉条纹区域内的散射光进行图像采集；启动电机，设置主轴转速，使被测试样随电机主轴旋转；

步骤S2：利用散射光图像采集模块对被测试样的表面散射光进行图像采集，获得对应于不同时刻的被测试样表面的散射光图像，通过对采集的图像信号进行频率解调和相位解调处理以及通过算法对干涉条纹覆盖区域进行分割，获得被测试样表面多点的速度、距离和三维绝对形貌信息。

图2所示为线激光干涉条纹测量体图像，将测量体照射于运动物体表面，可实现其覆盖范围内的全场测量。

图3所示为互相倾斜的干涉条纹测量体示意图，双波长激光干涉形成的条纹系统成固定的倾斜角度Ψ互相叠加，具有恒定且相等的条纹间距d，每个条纹系统的散射光图像用对应的相机采集。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待测物体设置在电机主轴上，启动电机，设置主轴转速ω，使所述待测物体随电机主轴旋转；

S2：通过散射光图像采集模块对被测物体的表面散射光进行图像采集，获得对应于不同时刻的被测物体表面的散射光图像；

采集到的时间序列图像中散射光强度受到多普勒频率f_D调制；通过公式(1)～(5)，对线激光干涉条纹测量体覆盖物体表面区域的图像进行分割，获得被测旋转物体表面多点的散射光信号，通过快速傅里叶变换评估多普勒频率f_D和标定条纹间距d，测得圆周角度α、表面高度y和时间T分辨的与干涉条纹方向垂直的被测物体速度v(α,y,T)、轴向距离z(α,y,T)和三维绝对形貌r(α,y,T)；具体地，算法为：

v(α,y,T)＝f_D(α,y,T)·d；(1)

轴向距离z同时通过式(2)获得：

式(2)中s＝2πtan(Ψ)/d是标定的两个干涉条纹测量体相互倾斜的斜率；

计算不同表面高度的平均速度

和平均距离/>

被测物体的三维绝对形貌r(α,y,T)通过式(5)获取：

2.根据权利要求1所述的旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，双波长线激光通过线激光干涉传感器投射于被测试样的表面聚焦形成互相倾斜成固定角度Ψ的干涉条纹测量体。

3.根据权利要求1所述的旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，调整散射光图像采集模块的透镜组使两个相机对被测试样表面干涉条纹区域内的散射光进行图像采集。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的旋转体速度、距离和三维形貌同步干涉测量方法的测量系统，其特征在于，包括：光源模块、线激光干涉传感器模块以及散射光图像采集模块；

所述光源模块，两束不同波长的激光在光源模块中从两个半导体激光器中射出，通过光纤耦合器汇聚在一根单模光纤中，单模光纤连接线激光干涉传感器模块的入射端；

所述线激光干涉传感器模块，双波长激光束通过凸透镜准直形成平行光束照射在圆柱透镜上，圆柱透镜只对光束在x方向起到聚焦作用，之后，激光束通过透射光栅和两个滤光片，形成两对双波长的激光束，通过两个凸透镜构成的开普勒望远镜结构，形成线激光束聚焦在被测旋转物体的表面发生干涉，被测旋转物体表面干涉条纹覆盖区域的散射光通过开普勒构造中的透镜形成平行光束，接着经过分束器，从线激光干涉传感器模块出射到散射光图像采集模块；

所述散射光图像采集模块，散射光经过两个滤光片，以及通过只对y方向聚焦的圆柱透镜，形成一个双波长散射光信号互相关角度，并且调整散射光的y方向尺寸，之后散射光通过分束器分别射入两个图像采集通道，两个波长的散射光经过两个通道中的滤光片后分开，通过对应的只对x方向聚焦的圆柱透镜调整其x方向的尺寸，最后入射到对应的两个相机上形成散射光图像。

Images