CN203259129U - 基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括9J型光切显微镜光路壳体、长度计、光源及调节组件、CCD及调节组件、三维调节工作台、压板固定用T型导轨条、底座及显微镜导轨立柱；所述的三维调节工作台和显微镜导轨立柱并列安装在底座上，旁侧还设有T型导轨条，连接在显微镜导轨立柱上的9J型光切显微镜光路壳体位于三维调节工作台上方呈悬空非接触式，9J型光切显微镜光路壳体上表面并列连接长度计接触块组件和光源调节组件，长度计接触块组件上端与长度计接触，长度计通过长度计连接件与显微镜导轨立柱顶端相连，CCD及调节组件与9J型光切显微镜光路壳体上侧面构成45°倾斜连接。

Description

基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种非接触式无损检测装置，特别是公开一种基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，应用于无损检测行业中对其标准片进行量值溯源。

背景技术

无损检测是工业发展必不可少的有效工具，其在石油化工、船舶、航空、核能等行业的重要性毋庸置疑。常用的无损检测方法有很多种，但无论何种方法，都需要由标准伤痕试块通过比对来实现伤痕尺寸和形状的定量测量。而深窄槽形的标准伤痕试块的量值溯源长期来尚未解决，急需一种非接触的高精度测量装置及方法。

光切法是近十多年发展起来的一种三维曲面非接触测量法。它用光平面照射被测物体，在其表面产生一条明亮的光带，通过CCD摄像机及数字信号处理器DSP可获得光带的数字图像，经计算机处理即得该目标物体表面的全部三维轮廓信息。

上海海事大学公开的一种基于传感器阵列的金属表面伤痕探测装置，用于探测待检测金属板的表面情况，该探测装置包含：传感器阵列，与所述传感器阵列通过电路连接的数据采集仪和激励电路，与所述数据采集仪通过电路连接的上位计算机；其中，所述传感器阵列包含激励线圈，以及若干个均匀分布在所述激励线圈周围的检测线圈；所述待检测金属板放置在所述传感器阵列下方，且每个检测线圈与所述待检测金属板之间高度间距相同。本实用新型中，保证探测装置和待测金属板无接触、无损坏，并且能方便、快速、准确地探测出金属表面伤痕，成本低廉，适用范围广。

华中科技大学机械学院为测量不锈钢管外表面窄浅刻槽的深度,提出了一种基于光切法采用摄像头获得不锈钢管表面和刻槽底部的图像，运用数字图像处理技术对这些图像进行处理的刻槽深度测量方法。应用表明,该方法有较高的测量准确度。

西安工业学院针对飞机座舱玻璃划痕深度的测量，介绍了一种有效的信息提取方法——光切测量法。精度分析表明，合理地选择物镜的放大倍数和数值孔径，可以获得不同划痕深度的高精度结果。

DISCO ABRASIVE SYSTEMS 公司申请的日本专利公开一种划痕深度测量方法，该划痕深度测量方法包括深度测量路径设置步骤，用于设置一个槽深度测量路径L。

KAWASAKI HEAVY IND公司申请的日本专利公开一种划痕测量方法和仪器，为提高测量数据的可靠性，将基于设计材料计算的被测量划痕形状的预期值与测得的数据相比，判断实测数据的有效性。

现有技术需解决的技术问题：

1、现有技术一般采用基于光切原理的激光三角法，应用线光源和CCD摄像机进行深度等轮廓尺寸的测量。这种方法需要对CCD的像素大小与对应的测量距离进行转换，也即需要对CCD进行标定，其测量精度有限；

2、另一种方法基于光切显微镜，直接安装CCD后测量深度等轮廓尺寸，该方法深度测量范围非常有限且很难再提高。

发明内容

本实用新型的目的是解决现有技术的缺陷，本着经济、便捷的原则，提出一种基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置。本实用新型利用光切显微镜部分成熟的机械部件和光学零部件，开展了大部分机械零部件的设计，通过装校形成。

本实用新型是这样实现的：一种基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括显微镜导轨、9J型光切显微镜光路壳体、长度计、光源及调节组件、CCD及调节组件、三维调节工作台、压板固定用T型导轨条、底座及显微镜导轨立柱。同时，在CCD自带的软件开发包的基础上，编辑了适合本实用新型测量装置需求的显示界面，并设计了有光带骨架线提取功能的图像处理程序，整合到显示测量软件中，可实现机器自动瞄准。

所述的三维调节工作台和显微镜导轨立柱并列支座在底座上，旁侧还设有T型导轨条，连接在显微镜导轨立柱上的9J型光切显微镜光路壳体位于三维调节工作台上方，且与三维调节工作台呈悬空非接触式，9J型光切显微镜光路壳体上表面并列连接长度计接触块组件和光源调节组件，所述的长度计接触块组件上端连接长度计，长度计又通过长度计连接件与显微镜导轨立柱顶端相连，CCD及调节组件与9J型光切显微镜光路壳体上侧面构成45°倾斜连接。

所述的三维调节工作台购自上海联谊光纤激光器械厂，用于实现小型被测件的定位和宽度尺寸的测量，T型导轨条用于固定压口板，方便压紧被测件。

所述的底座为花岗岩底座或便携式底座。所述的便携式底座的平板底面设有两个燕尾槽，每个燕尾槽内镶嵌三段圆柱支撑，便于在测量大型管状工件或大型平面工件时平稳支撑测量装置。本实用新型采用花岗岩底座时用于实验室测量小型工件。

所述的9J型光切显微镜使用7倍物镜，深度测量范围可提高到10mm。

所述的光切显微镜引入机器视觉技术，CCD及调节组件中使用了像素尺寸为2.2μm×2.2μm的数字CCD代替人眼连续采集光带图像，分辨率达2592 pixel×1944 pixel，提高了测量精度，使标准伤痕试块伤痕深度测量不确定度U<2μm。

所述的三维调节工作台x、y轴行程均为25mm，最小分辨率为2μm，满足对宽度尺寸测量的一般要求，旋转行程为360°，并有±5°范围的微调功能，方便准确地寻找到测量位置。

本实用新型测量装置，光切式标准伤痕检测仪适合于深度≤10mm的表面伤痕或者深窄槽型结构的校准。由于采用了机器视觉技术和图像处理技术，有效提高了重复性测量精度，且结构设计符合阿贝原则，并采用精度为±0.2μm的长度计作为测量标准器，测量不确定度在2μm以内。

本实用新型测量装置中的显微镜导轨购于上海永亨光学仪器厂，具有自锁及微调功能，导轨行程25mm，微调最小读数2μm。9J型光切显微镜光路壳体也购自上海永亨光学仪器厂，取其光路夹角45°的机械结构设计及成熟的仪器外观。将通过连接件固定在显微镜导轨上的长度计作为测量标准器，取其位移测量准确度高、并易于量值溯源的优越性。 

本实用新型还设计了长度计接触块组件，固定于光切显微镜壳体上，与长度计接触的零件表面研磨至粗糙度为Ra 0.1，减小了测量时此处接触引入的测量误差。

本实用新型在设计长度计连接件的尺寸和公差时保证长度计的测量轴线与主光路法线重合，并在装校时通过螺孔间隙调整至两者实际重合，消除了测量的阿贝误差，降低了系统测量不确定度。

本实用新型在设计便携式底座时，设计成有圆柱支撑的结构，因为现场测量应用时，被测件常为大型管件，如果是平面四脚支撑，无法平稳放置在管件的外壁上或者内部。而圆柱支撑可与管壁实现稳定的线接触，便于实现测量。便携底座的平板上加工有2个燕尾槽，可与圆柱支撑的圆柱面接触，通过螺钉将圆柱支撑固定。其设计思想是通过燕尾槽限制圆柱支撑的位置，可保证装校时圆柱轴线位置与设计位置的一致性。设计时考虑到长275mm的圆柱支撑较难实现磨削加工，所以采用3根短圆柱的形式代替一整根圆柱支撑。安装时测量所有圆柱支撑的外径，外径小的固定在燕尾槽的中间位置，外径大的固定在两端位置，避免出现底座不稳定的情况。此外，考虑到需要在仪器自身尺寸的限制下尽可能适应较小的管内径，选择了圆柱直径φ25mm以及安装距离100mm，使现场应用的装置可适应大于等于φ330mm管径的管状工件内部的表面伤痕测量。

光切显微镜是基于光切原理的经典光学器件，因此本实用新型主要在9J型光切显微镜的基础上进行改造，实现新的应用。光切显微镜主要用于表面粗糙度的测量，测量深度范围是0.8～80mm。即使在光切显微镜上使用7倍物镜，并使用电子目镜代替人眼进行测量，一般也只能测量到800mm。原因就是光学系统中存在像差，且物镜放大倍数越大，视场中同一位置的像差越大，而在同一视场中中心位置的测量误差比周围位置的误差小，所以光切显微镜测量时会将光带调整在中心位置附近。因此，光切显微镜的深度测量范围会受到视场范围的限制。降低物镜放大倍数后，如使用1倍物镜，可测量的范围虽然可以提高，但横向分辨率会降低，无法分辨槽底的细微轮廓。因此，本实用新型选用7倍物镜，且不直接测量光带图像，而将光切图像用于瞄准，并采用在深度方向上两次成像、两次瞄准的方法测量槽型轮廓的深度。如图1和图2所示，每次都通过调整光路整体沿Z方向运动，将光带图像调整到视场中心位置处，用固定的基准线进行瞄准，两次调整的Z向读数之差即为槽的深度。此时，光学系统的像差对测量的影响被最小化，深度测量范围也不会受到视场范围的限制，而只和7倍物镜的前截距有关，可提高到10mm。

传统光切显微镜利用测微目镜的刻度线，通过人眼采用半宽压线法进行瞄准后测量。此时需要人工判断光带的中心位置，瞄准重复性较差。即使采用电子目镜，也仍然需要人眼判断光带中心线。本实用新型引入机器视觉技术，使用了像素尺寸为2.2μm × 2.2μm的数字CCD代替人眼连续采集光带图像，分辨率可达2592 pixel×1944 pixel。同时，利用具有亚像素级精度的梯度重心法算法进行图像处理，提取出光带的骨架线，使用光带的骨架线与预设的双基准线对比进行瞄准，同时在软件中通过运算给出已瞄准的信号，实现了机器自动瞄准，极大地提高了瞄准重复性，从而提高了测量精度。

本实用新型的有益效果是：

1、标准伤痕样块要求和被测工件具有相同材质，相同大小，才会有实际意义。油气运输管道等超大型工件的伤痕标准块，无法搬运到实验室中进行检测。只能采用印模法将伤痕的形状复制出来再进行测量，这种方法操作复杂且精度有限。本实用新型测量装置通过更换底座即可分别实现在现场或实验室检测油气运输管路等工件的表面伤痕，以及标准伤痕试块或其他类似结构的工件，填补了大型管状工件伤痕现场定量标定的空白。

2、本实用新型采用机器视觉技术及图像处理提高瞄准精度；采用高精度的长度计作为测量的标准器，提高读数精度；通过机械设计和装校来保证测量符合阿贝原则，减小测量误差，使得标准伤痕试块伤痕深度测量不确定度U<2μm，达到国际先进水平。

3、现有技术基于光切法测深的装置测量范围有限，最大不超过2mm，本实用新型将对深窄槽型结构的深度检测范围提高到了10mm。

4、本实用新型优化了对航空、航天、核能等行业的高精度标准伤痕试块的校准能力，同时完善了无损检测的量值溯源体系，对无损检测行业的发展有一定的推动作用。

附图说明

图1  是基于光切原理的深度尺寸测量原理第一次瞄准示意图。

图2  是基于光切原理的深度尺寸测量原理第二次瞄准示意图。

图3  是本实用新型采用花岗岩底座时结构示意图。

图4  是本实用新型的便携式底座结构示意图。

图中：1、花岗岩底座； 2、便携式底座； 3、三维调节工作台； 4、T型导轨条； 5、显微镜导轨立柱； 6、9J型光切显微镜光路壳体； 7、CCD及调节组件； 8、长度计接触块组件； 9、光源及调节组件； 10、长度计连接件； 11、长度计。

具体实施方式

根据附图3和图4，本实用新型一种基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置包括显微镜导轨、9J型光切显微镜光路壳体6、长度计11、光源及调节组件9、CCD及调节组件7、三维调节工作台3、压板固定用T型导轨条4、底座及显微镜导轨立柱5。三维调节工作台3和显微镜导轨立柱5并列安装在底座上，旁侧还设有T型导轨条4，连接在显微镜导轨立柱5上的9J型光切显微镜光路壳体6位于三维调节工作台3上方，且与三维调节工作台3呈悬空非接触式。9J型光切显微镜光路壳体6上表面并列连接长度计接触块组件8和光源调节组件9。长度计接触块组件8上端与长度计11接触，长度计11又通过长度计连接件10与显微镜导轨立柱5顶端相连。CCD及调节组件7与9J型光切显微镜光路壳体6上侧面构成45°倾斜连接。本实用新型测量装置是基于9J型光切显微镜改造及搭建的，可以通过更换花岗岩底座1和便携式底座2分别实现实验室检测和现场的不同尺寸被测件的测量要求。

本实用新型的三维调节工作台3具有x、y向运动以及绕z轴旋转的功能，通过调节微分头实现小型被测件的定位和宽度的尺寸测量。三维调节工作台3的x、y轴行程为25mm，最小分辨率2μm，可满足对宽度尺寸测量的一般需求，旋转行程为360°，并有±5°范围内的微调功能，可方便、准确地寻找到测量位置。T型导轨条4设置在三维调节工作台3的两侧用于固定压板，方便压紧被测件。显微镜导轨立柱5固定在底座上，显微镜导轨立柱5的滑动板上固定9J型光切显微镜光路壳体6。9J型光切显微镜光路壳体6左上方向右依次固定CCD及调节组件7、长度计接触块组件8和光源调节组件9。CCD及调节组件7和光源调节组件9可以实现微调聚焦及锁紧功能。显微镜导轨立柱5的上方固定长度计连接件10，长度连接件10用于连接固定长度计11，并且通过机械设计和装校保证长度计11测量轴线与三维调节工作台3垂直，并与光切显微镜光路的法线重合。

CCD及调节组件7 使用了像素尺寸为2.2μm×2.2μm的数字CCD代替人眼连续采集光带图像。分辨率可达2592 pixel×1944 pixel。同时，利用具有亚像素级精度的梯度重心法算法进行图像处理，提取出光带的骨架线，使用光带的骨架线与预设的双基准线对比进行瞄准，同时在软件中通过运算给出已瞄准的信号，实现了机器自动瞄准。

9J型光切显微镜选用7倍物镜，且不直接测量光切图像，而将光切图像用于瞄准，并采用在深度方向上两次成像、两次瞄准的方法测量槽型轮廓的深度。每次都通过调整光路整体沿Z方向运动，将光带图像调整到视场中心位置处，用固定的基准十字线进行瞄准，两次调整的Z向读数之差即为槽的深度。此时，光学系统的像差对测量的影响被最小化，深度测量范围也不会受到视场范围的限制，而只和7倍物镜的前截距有关，可提高深窄槽型结构的深度检测范围到10mm。

本实用新型的显微镜导轨立柱5行程25mm，微调最小读数0.002mm，用于带动9J型光切显微镜光路壳体6沿伤痕深度方向运动，实现调焦。

本实用新型的长度计11是高精度增量式光栅传感器——长度计作为主标准器，用于测量位移量，测量精度±0.2μm，测量范围可达12mm，且与长度计长度计11接触的长度计接触块组件8的零件表面研磨至粗糙度为Ra 0.1，提高了此处接触测量时的精度。长度计11的测量轴线通过机械设计保证与与光切测量光路的法线重合，消除了阿贝误差，提高了测量精度。

本实用新型在现场应用时，测量装置采用便携式底座2。便携式底座2通过其平板底面所设的圆柱支撑的圆柱面进行支撑，可平稳放置于平面或者管状工件中进行测量。考虑到需要在仪器自身尺寸的限制下尽可能适应较小的管内径，选择了圆柱直径φ25 mm以及安装距离100mm，使现场应用的装置可适应大于等于φ330mm管径的管状工件内部的表面伤痕测量。

Claims (7)

1.一种基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括9J型光切显微镜光路壳体、长度计、光源及调节组件、CCD及调节组件、三维调节工作台、压板固定用T型导轨条、底座及显微镜导轨立柱；所述的底座为便携式底座或花岗岩底座；所述的三维调节工作台和显微镜导轨立柱并列支座在底座上，旁侧还设有T型导轨条，连接在显微镜导轨立柱上的9J型光切显微镜光路壳体位于三维调节工作台上方，且与三维调节工作台呈悬空非接触式，9J型光切显微镜光路壳体上表面并列连接长度计接触块组件和光源调节组件，所述的长度计接触块组件上端与长度计接触，长度计又通过长度计连接件与显微镜导轨立柱顶端相连，CCD及调节组件与9J型光切显微镜光路壳体上侧面构成45°倾斜连接。

2.根据权利要求 1 所述的基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的三维调节工作台购自上海联谊光纤激光器械厂，用于实现小型被测件的定位和宽度尺寸的测量，T型导轨条用于固定压板，方便压紧被测件。

3.根据权利要求 1 所述的基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述便携式底座的平板底面设有两个燕尾槽，每个燕尾槽内镶嵌三段圆柱支撑，便于在测量大型管状工件或大型平面工件时平稳支撑测量装置。

4.根据权利要求 1 所述的基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的9J型光切显微镜光路壳体所获得的光切图像用于瞄准，而不用于直接测量，且使用7倍物镜，深度测量范围可提高到10mm。

5.根据权利要求 1 所述的基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的光切显微镜引入机器视觉技术，CCD及调节组件中使用了像素尺寸为2.2μm×2.2μm的数字CCD代替人眼连续采集光带图像，分辨率达2592 pixel×1944 pixel，提高了测量精度，使标准伤痕试块伤痕深度测量不确定度U<2μm。

6.根据权利要求 1或2 所述的基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的三维调节工作台x、y轴行程均为25mm，最小分辨率为2μm，满足对宽度尺寸测量的一般要求，旋转行程为360°，并有±5°范围的微调功能，方便准确地寻找到测量位置。

7.根据权利要求 1所述的基于光切原理的非接触式伤痕深度测量装置，其特征在于：所述的长度计采用精度为±0.2μm增量式光栅传感器，作为深度测量的主标准器，并通过机械设计和装校，保证所述长度计的测量轴线与权利要求1所述的9J型光切显微镜光路的法线重合，消除了阿贝误差，确保了深度测量符合阿贝原则。

Images