CN114858060B - 基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器及应用,其光路结构包括激光模组、反射镜、50/50分光镜、显微物镜、感光元件,激光模组的出射光垂直入射50/50分光镜,50/50分光镜的出射光束经反射镜水平入射显微物镜,经显微物镜聚焦后照射在被测平面上,产生的反射光和散射光被显微物镜接收并形成水平出射光束,依次经过反射镜和50/50分光镜作用后垂直照射在感光元件的感光区,形成光斑。本发明高精度位移传感器精度高达纳米级,可实现零部件尺寸和表面特征的高精度测量。

Description

基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器及应用
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,具体为一种基于同轴激光三角法与显微成像的高精度位移传感器及应用。
背景技术
现代工业正朝着精密化的方向迅速发展,零部件的制造质量直接影响整个系统的性能,因此对零部件各参数的高精度检测就显得尤为重要,其中使用精密位移测量技术可以对零部件尺寸、厚度等参数进行精密测量。现有精密位移测量技术主要分为接触式和非接触式两种,接触式位移测量技术以三坐标机测量方法为代表,具有很强的通用性,精度高,但耗时较长,效率低,无法实时测量。非接触式位移测量技术以激光位移传感器为代表,基于激光三角测距原理,可实现位移的高精度实时在线测量,具有速度快、精度较高、可靠性强等优点,广泛应用于空间定位、厚度测量和表面缺陷检测等领域,已成为国内外相关学者的重点研究方向。如天津大学的Zhang F等人将激光位移传感器与运动车辆相结合,实现大尺寸阶梯管内表面尺寸的测量;天津大学的李兴强等人使用多个激光位移传感器实现对汽车发动机缸体内径的高速静态测量。上述位移测量技术精度不足,无法实现对被测表面细微特征的高精度测量。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种基于同轴激光三角法与显微成像的高精度位移传感器,可以实现零部件尺寸和表面特征的高精度实时快速测量。
为实现本发明的发明目的,本发明提供的技术方案是一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器,包括壳体,所述的壳体内设有光路结构,光路结构包括激光模组101、50/50分光镜102、第一反射镜103、第一显微物镜104、第一感光元件105,其中:
激光模组101的出射光垂直入射50/50分光镜102,光束经第一反射镜103水平入射第一显微物镜104,入射光经第一显微物镜104镜聚焦后照射在第一被测平面106上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜104接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜103和50/50分光镜102作用后垂直照射在第一感光元件105的感光区,在第一感光元件105的感光区形成光斑;
还包括有驱动与信号处理模块,所述的驱动与信号处理模块以MCU处理器作为主控芯片,驱动感光元件和模数转换器工作;模数转换器将感光元件输出的模拟量信号转换为数字信号供MCU进行分析计算;MCU与上位机进行实时通讯,实现指令接收和数据传输。
本发明提供的优选的技术方案是:
还包括有第二反射镜202、第三反射镜203、第二显微物镜204、第二感光元件205,其中:
所述第一显微物镜104和第二显微物镜204同轴反向设置;
激光模组101的出射光束垂直入射50/50分光镜102形成两束方向夹角为90°的光束I和光束II,光束I经第一反射镜103水平入射第一显微物镜104,经第一显微物镜104聚焦后照射在第一被测平面106上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜104接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜103和50/50分光镜102作用后垂直照射在第一感光元件105的感光区,在第一感光元件105的感光区形成光斑;光束II经第二反射镜202和第三反射镜203的共同作用水平入射第二显微物镜204,经第二显微物镜204聚焦后照射在第二被测平面206上,产生的反射光和散射光被第二显微物镜204接收并形成水平出射光束,再经第三反射镜203作用后垂直照射在第二感光元件205的感光区,在第二感光元件205的感光区形成光斑。
相对于优选的技术方案,本发明提供的另外的技术方案是:
其它结构与优选的技术方案相同的基础上,区别在于所述第一显微物镜104和第二显微物镜204同轴对向设置;
在上述方案的基础上,优选的,所述激光模组101出射光束为准直平行光,激光模组101功率根据应用场景进行自动调节。
本发明还提供的了上述技术方案的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器在被测平面位移测量的应用。
本发明还提供了一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器在被测平面位移测量的应用的方法包括以下步骤:
测量时,被测平面与传感器的相对位置发生变化,感光元件感光区上的光斑会相应的产生偏移,使用基于傅里叶变换的定位算法对光斑位置进行精确定位,得到光斑的偏移量,通过标定实验,获取多组光斑偏移量与被测平面位移值数据,进行曲线拟合,得到光斑质心偏移量与被测平面位移值之间的函数关系式,将光斑质心偏移量代入函数关系式,获得被测平面位移。
具体步骤为:
S1,光斑定位;
S1.1,处理感光元件原始信号;感光元件上的光斑能量呈中间高两侧低分布,在进行光斑定位时,首先根据感光元件各像素点输出的原始信号找到光斑能量最大值与最小值,得到最大值所在的像素点位置;
S1.2,计算光斑能量基准值b的大小:
Figure BDA0003557877650000021
式中,Ij表示感光元件第j个像素点上光斑能量值,N表示感光元件像素点的个数;
S1.3,提取峰值点附近的子区域;选取合适的区间宽度有利于较小误差,对于信号剖面近似高斯分布时,选取3至5倍高斯核函数宽度σ作为区间大小,σ的计算公式如下:
Figure BDA0003557877650000031
式中,c是光斑质心位置,σ是高斯核函数的宽度;
S1.4,计算子区域的傅里叶变换一次谐波H1
Figure BDA0003557877650000032
式中,W表示子区域内像素点的数量;
S1.5,计算光斑位置x:
x=P·W/2π
式中,P表示一次谐波H1的相位;
S2,计算被测平面位移;将光斑位置x代入光斑位置x与被测平面位移的函数关系式,计算得到被测平面位移;
所述函数关系式通过标定实验进行曲线拟合获得。
本发明的有益效果包括:
1、本发明高精度位移传感器精度高达纳米级,可实现零部件内径、壁厚与平面间距等参数的高精度测量;
2、本发明高精度位移传感器结构简单,采用的器件价格远低于其他同精度的仪器装备,在很大程度上节省了测量成本。
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作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅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为本发明第一实施例原理示意图;
图2为本发明第二实施例应用于内径测量示意图;
图3为本发明第三实施例应用于外径测量示意图;
图4为被测平面发生位移时感光元件光斑偏移示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1:
图1为本发明第一实施例原理示意图;如图1所示,本发明的一种基于同轴激光三角法与显微成像的高精度位移传感器,包括壳体,其特征在于,所述的壳体内设有光路结构,光路结构包括激光模组101、50/50分光镜102、第一反射镜103、第一显微物镜104、第一感光元件105,其中:
激光模组101的出射光垂直入射50/50分光镜102,光束经第一反射镜103水平入射第一显微物镜104,入射光经第一显微物镜104镜聚焦后照射在第一被测平面106上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜104接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜103和50/50分光镜102作用后垂直照射在第一感光元件105的感光区,在第一感光元件105的感光区形成光斑;
还包括有驱动与信号处理模块,所述的驱动与信号处理模块以MCU处理器作为主控芯片,驱动感光元件和模数转换器工作;模数转换器将感光元件输出的模拟量信号转换为数字信号供MCU进行分析计算;MCU与上位机进行实时通讯,实现指令接收和数据传输。
其中,所述激光模组101出射光束为准直平行光,功率可根据不同应用场景进行自动调节;感光元件应具有低噪声、高采样率的特性,利于实现高精度快速测量;
图4为被测平面发生位移时感光元件感光区上光斑偏移示意图,结合附图4进行详细说明被测平面位移步骤如下:
S1光斑定位
S1.1处理感光元件原始信号。感光元件上的光斑能量呈中间高两侧低分布,在进行光斑定位时,首先根据感光元件各像素点输出的原始信号找到光斑能量最大值与最小值,得到最大值所在的像素点位置;
S1.2计算光斑能量基准值b的大小:
Figure BDA0003557877650000041
式中,Ij表示感光元件第j个像素点上光斑能量值,N表示感光元件像素点的个数。
S1.3提取峰值点附近的子区域。子区域的宽度的选取会影响定位精度,区间过大会引入背景噪声,区间太小则会遗漏有效信号,因此选取合适的区间宽度有利于较小误差。对于信号剖面近似高斯分布时,一般选取3至5倍高斯核函数宽度σ作为区间大小,σ的计算公式如下:
Figure BDA0003557877650000042
式中,c是光斑质心位置,σ是高斯核函数的宽度。本实施例中,选取子区域宽度为4σ;
S1.4计算子区域的傅里叶变换一次谐波H1
Figure BDA0003557877650000043
式中,W表示子区域内像素点的数量;
S1.5计算光斑位置x:
x=P·W/2π
式中,P表示一次谐波H1的相位;
S2计算被测平面位移。将光斑位置x代入光斑位置x与被测平面位移的函数关系式,计算得到被测平面位移。
所述函数关系式可通过标定实验进行曲线拟合获得。
实施例2:
图2为本发明第二实施例原理示意图;如图2所示,本发明的一种基于同轴激光三角法与显微成像的高精度位移传感器,还包括有第二反射镜202、第三反射镜203、第二显微物镜204、第二感光元件205,其中:
激光模组101的出射光束垂直入射50/50分光镜102形成两束方向夹角为90°的光束I和光束II,光束I经第一反射镜103水平入射第一显微物镜104,经第一显微物镜104聚焦后照射在第一被测平面106上,产生的发射光和散射光被第一显微物镜104接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜103和50/50分光镜102作用后垂直照射在第一感光元件105的感光区,在第一感光元件105的感光区形成光斑;光束II经第二反射镜202和第三反射镜203的共同作用水平入射第二显微物镜204,经第二显微物镜204聚焦后照射在第二被测平面106上,产生的反射光和散射光被第二显微物镜204接收并形成水平出射光束,再经第三反射镜203作用后垂直照射在第二感光元件205的感光区,在第二感光元件205的感光区形成光斑。
本实施例与实施例1最大区别在于,所述第一显微物镜104和第二显微物镜204同轴反向设置;用于测定零部件内孔直径等参数。
关于被测平面位移具体测定在实施例1中已经有具体说明,此处不再赘述。
实施例3:
图3为本发明第二实施例原理示意图;如图3所示,本实施例在实施例2的基础上的另一形式,其它结构与实施例2相同的基础上,区别在于所述第一显微物镜104和第二显微物镜204同轴对于向设置;用于测定管路外径和零部件壁厚等参数。
本实施具体为:如图4所示,一种基于同轴激光三角法与显微成像的高精度位移传感器,具有两个对向测量光束出射点,适用于零部件厚度检测等。传感器的光路结构包括激光模组101、50/50分光镜102、第二反射镜202、第三反射镜203、第二显微物镜204、第二感光元件205,其中:
激光模组101的出射光束垂直入射50/50分光镜102形成两束方向夹角为90°的光束I和光束II,光束I经第一反射镜103水平入射第一显微物镜104,经第一显微物镜104聚焦后照射在第一被测平面106上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜104接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜103和50/50分光镜102作用后垂直照射在第一感光元件105的感光区,在第一感光元件105的感光区形成光斑。光束II经第二反射镜202和第三反射镜203的共同作用水平入射第二显微物镜204,经第二显微物镜204聚焦后照射在第二被测平面206上,产生的反射光和散射光被第二显微物镜204接收并形成水平出射光束,再经第三反射镜203作用后垂直照射在第二感光元件205的感光区,在第二感光元件205的感光区形成光斑。
关于被测平面位移具体测定在实施例1中已经有具体说明,此处不再赘述。
所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器,包括壳体,其特征在于,所述的壳体内设有光路结构,光路结构包括激光模组(101)、50/50分光镜(102)、第一反射镜(103)、第一显微物镜(104)、第一感光元件(105),其中:
激光模组(101)的出射光垂直入射50/50分光镜(102),50/50分光镜(102)的出射光束经第一反射镜(103)水平入射第一显微物镜(104),经第一显微物镜(104)聚焦后照射在第一被测平面(106)上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜(104)接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜(103)和50/50分光镜(102)作用后垂直照射在第一感光元件(105)的感光区,在第一感光元件(105)的感光区形成光斑;
还包括有驱动与信号处理模块,所述的驱动与信号处理模块以MCU处理器作为主控芯片,驱动感光元件和模数转换器工作;模数转换器将感光元件输出的模拟量信号转换为数字信号供MCU进行分析计算;MCU与上位机进行实时通讯,实现指令接收和数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器,其特征在于,还包括有第二反射镜(202)、第三反射镜(203)、第二显微物镜(204)、第二感光元件(205),其中:
所述第一显微物镜(104)和第二显微物镜(204)同轴反向设置;
激光模组(101)的出射光束垂直入射50/50分光镜(102)并产生两束方向夹角为90°的光束I和光束II,光束I经第一反射镜(103)水平入射第一显微物镜(104),经第一显微物镜(104)聚焦后照射在第一被测平面(106)上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜(104)接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜(103)和50/50分光镜(102)作用后垂直照射在第一感光元件(105)的感光区,在第一感光元件(105)的感光区形成光斑;光束II经第二反射镜(202)和第三反射镜(203)的共同作用水平入射第二显微物镜(204),经第二显微物镜(204)聚焦后照射在第二被测平面(206)上,产生的反射光和散射光被第二显微物镜(204)接收并形成水平出射光束,再经第三反射镜(203)作用后垂直照射在第二感光元件(205)的感光区,在第二感光元件(205)的感光区形成光斑。
3.根据权利要求1所述的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器,其特征在于,还包括有第二反射镜(202)、第三反射镜(203)、第二显微物镜(204)、第二感光元件(205),其中:
所述第一显微物镜(104)和第二显微物镜(204)同轴对向设置;
激光模组(101)的出射光束垂直入射50/50分光镜(102)并产生两束方向夹角为90°的光束I和光束II,光束I经第一反射镜(103)水平入射第一显微物镜(104),经第一显微物镜(104)聚焦后照射在第一被测平面(106)上,产生的反射光和散射光被第一显微物镜(104)接收并形成水平出射光束,依次经过第一反射镜(103)和50/50分光镜(102)作用后垂直照射在第一感光元件(105)的感光区,在第一感光元件(105)的感光区形成光斑;光束II经第二反射镜(202)和第三反射镜(203)的共同作用水平入射第二显微物镜(204),经第二显微物镜(204)聚焦后照射在第二被测平面(206)上,产生的反射光和散射光被第二显微物镜(204)接收并形成水平出射光束,再经第三反射镜(203)作用后垂直照射在第二感光元件(205)的感光区,在第二感光元件(205)的感光区形成光斑。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器,其特征在于,所述激光模组(101)出射光束为准直平行光,激光模组(101)功率根据应用场景进行自动调节。
5.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器在被测平面位移测量的应用。
6.根据权利要求5所述的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器在被测平面位移测量的应用,其特征在于,应用方法包括以下步骤:
测量时,被测平面与传感器的相对位置发生变化,感光元件感光区上的光斑会相应的产生偏移,使用基于傅里叶变换的定位算法对光斑位置进行精确定位,得到光斑的偏移量,通过标定实验,获取多组光斑偏移量与被测平面位移值数据,进行曲线拟合,得到光斑质心偏移量与被测平面位移值之间的函数关系式,将光斑质心偏移量代入函数关系式,获得被测平面位移。
7.根据权利要求6所述的一种基于同轴激光三角法与显微成像的位移传感器在被测平面位移测量的应用,其特征在于,具体步骤为:
S1,光斑定位;
S1.1,处理感光元件原始信号;感光元件上的光斑能量呈中间高两侧低分布,在进行光斑定位时,首先根据感光元件各像素点输出的原始信号找到光斑能量最大值与最小值,得到最大值所在的像素点位置;
S1.2,计算光斑能量基准值b的大小:
Figure FDA0003557877640000021
式中,Ij表示感光元件第j个像素点上光斑能量值,N表示感光元件像素点的个数;
S1.3,提取峰值点附近的子区域;选取合适的区间宽度有利于较小误差,对于信号剖面近似高斯分布时,选取3至5倍高斯核函数宽度σ作为区间大小,σ的计算公式如下:
Figure FDA0003557877640000022
式中,c是光斑质心位置,σ是高斯核函数的宽度;
S1.4,计算子区域的傅里叶变换一次谐波H1
Figure FDA0003557877640000023
式中,W表示子区域内像素点的数量;
S1.5,计算光斑位置x:
x=P·W/2π
式中,P表示一次谐波H1的相位;
S2,计算被测平面位移;将光斑位置x代入光斑位置x与被测平面位移的函数关系式,计算得到被测平面位移;
所述函数关系式通过标定实验进行曲线拟合获得。
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基于激光三角法的倾斜角测量系统;张劲峰;张继业;;光电工程(第01期);全文 *

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CN114858060A (zh) 2022-08-05

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