CN207300162U - 基于光谱波长的非接触式位移测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光谱波长的非接触式位移测量方法及其测量装置，其中装置包括点状光源，出射多色光；光学元件，使所述光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光会聚于测量对象物上；第一测量器，其具有开口，在由所述光学元件会聚的光中，使聚焦于所述测量对象物上的光通过；第二测量器求出通过所述开口的光的光谱，基于所述光谱的峰波长，求出所述光学元件与所述测量对象物之间的距离；第一测量器求出预定的参考光谱的光环的重心位置与第一测量器上的光轴中心点之间的位置偏移量，并利用与所述位置偏移量关联的距离补偿值来校正所述距离。本实用新型不用改变光学元件与测量对象物之间的距离，也能得出准确率高的测量结果。

Description

基于光谱波长的非接触式位移测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于光谱波长的非接触式位移测量装置。

背景技术

随着精密和超精密制造业的飞速发展，对位移传感器的要求也越来越高:(1)超精密加工技术要求位移传感器的精度达到亚微米级甚至纳米级;(2)当被测样品表面质量较高或者为镀膜的表面时，使用接触式的位移传感器可能会划伤被测表面;当被测样品为弱刚性、轻软质材料时(如尼龙、橡胶)，宏观测量力会使接触点弹性变形，对测量结果造成一定影响。(3)高速加工技术的机床主轴转速高达万转量级，要求传感器的响应频率达到几KHz甚至几十KHz; (4)测量领域热点问题之一的微小内尺度测量，测量对象的尺寸约为几百微米至几毫米量级，传感器必须做小型化，才能完成相应的测量任务。

从适应制造业发展需求的角度看，接触式的位移传感器由于低频响及存在宏观测量力等缺点，己无法完成相应的测量任务。为了满足目前位移传感器高精度、非接触、高频率和广泛的适应性的重要发展方向，发展高精度的非接触测量方法是解决测量领域许多现存问题的必然途径。

现有的非接触测量方式主要归为两类，第一类是电磁式非接触测量，第二类是光电式非接触测量。

电磁式位移传感器中比较具代表性的是电容和电涡流式位移传感器。这两种传感器在技术及应用方面都发展的十分成熟，应用也相当广泛。但是这两种测量原理存在一些固有缺陷，主要体现在两方面:(1)对被测物体材料有要求。电容式位移传感器工作时犹如一个电极，被测物犹如一个相对电极[2]，因此电容式位移传感器只能对导电材料的被测物进行测量;而电涡流式位移传感器只能对金属材料进行测量。(2)电磁信号容易受外界干扰。如在航空航天领域中的电磁干扰((EMI)、电磁脉冲((EMP)等因素都会影响电磁式位移传感器的测量精度。

光电式非接触测量主要包括激光三角反射式、光纤式位移传感器和光谱共焦测量法。激光三角反射式位移传感器具有结构简单、测量精度高并可用于实时在线快速测量等特点;但其测量结果易受测头安装倾斜、被测表面颜色、光泽、表面粗糙度以及表面纹理状况等因素影响；光纤传感器的测量原理有两种；第一种是物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。第二种是结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

光谱共焦测量法是光电式非接触测量中一种较新的测量法，也是一种很有发展前景的测量法，倍受市场青睐。现有的基于光谱波长的非接触式位移测量方法和装置是利用位移与波长之间关系，通过光谱共焦位移传感器系统色散位移镜头的色散作用实现的。当点光源发出的具有宽光谱的复色光经过色散位移镜头时，产生光谱色散，在系统光轴方向上形成一系列点光源的单色像点。利用某一波长的单色像点与镜头之间的轴向距离关系，来实现位移测量。当被测表面处于测量范围内，入射光将在被测表面形成测量光斑并由被测表面反射，反射光将再次通过色散位移镜头并成像在小孔端面。对应被测表面位置的满足共焦条件的单色光将进入小孔，离焦反射的其它光谱成分的大部分通量则被小孔遮挡。光谱仪接收通过小孔的光信号，对其进行解谱并确定其中心波长，以此反推被测表面与镜头之间的距离，从而实现位移测量。

现有的基于光谱波长的非接触式位移测量方法和装置存在的问题是：当测量对象上的某些点或面对正好处理于某种单色光产生干涉或反射，而使聚焦于测量对象物上的这种单色光不能被反射到测量器上时，就会产生测量误差。为了解决这个问题，中国专利文献CN104797904A公开了一种位移测量方法及装置，该文件是利用改变光学元件与测量对象物之间的距离变化，使某种单色光能反射到测量器，再求出这种单色光的光谱及该光谱的峰波长，再求出光学元件与所述测量对象物之间的距离，加上校正值得到光学元件与所述测量对象物之间的实际距离。这种方法可以有效地解决这个问题，但是在实际使用中改变光学元件与测量对象物之间的距离的驱动装置的稳定性，会对测量结果造成一定影响。

实用新型内容

为了克服上述问题，本实用新型向社会提供一种不用改变光学元件与测量对象物之间的距离，也能得出准确率高的基于光谱波长的非接触式位移测量装置。

本实用新型的技术方案是：提供一种基于光谱波长的非接触式位移测量装置，包括，

点状光源，出射多色光，

光学元件，使所述光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光会聚于测量对象物上，

第一测量器，其具有开口，在由所述光学元件会聚的光中，使聚焦于所述测量对象物上的光通过，

第二测量器，求出通过所述开口的光的光谱，基于所述光谱的峰波长，求出所述光学元件与所述测量对象物之间的距离，

控制器，求出预定的参考光谱的光环的重心位置与第一测量器上的光轴中心点之间的位置偏移量，并利用与所述位置偏移量关联的距离补偿值来补偿所述距离，如果重心位置坐标中的Y值大于零，则在第二测量器求出的距离的基础上加上距离补偿值；如果重心位置坐标中的Y值小于零，则在第二测量器求出的距离的基础上减去距离补偿值；如果重心位置坐标中的Y值等于零，则S6求出的距离不变。

作为对本实用新型的改进，在所述第一测量器上以光轴中心点为原点建立直角坐标系O-xy，利用参考光谱的光环上的预定个数i的坐标点1（x1,y1)、坐标点2 (x2,y2)...... 坐标点i (xi,yi)，其中i为参考光谱的光环在第一测量器上的像素点的数量，求出参考光谱的光环的重心坐标点S1（X,Y），其中，x=(x1+x2+‥+xi)/i ；Y=(y1+y2+‥+yi)/i ；再利用所述重心坐标点S1（X,Y）求出所述位置偏移量，所述重心坐标点S1（X,Y）到光轴中心点的位置偏移量E为：E²=X²+Y²。

作为对本实用新型的改进，所述第一测量器利用与所述位置偏移量关联的距离补偿值来校正所述距离步骤包括从预先标定好的数据库找出所述位置偏移量与其关联的距离补偿值，并利用距离补偿值来校正所述距离。

作为对本实用新型的改进，所述参考光谱是三基色中的蓝光或红光。

本实用新型由于采用了外加了一个用于校准的第一测量器，这样，使得当测量对象上的某些点或面对正好处理于某种单色光产生干涉或反射，而使聚焦于测量对象物上的这种单色光不能被反射到测量器上时，也可以测量出光学元件与测量对象物之间的距离。

附图说明

图1是本实用新型装置的一种实施例的结构示意图。

图2是图1中的位置偏移量E的计算方法示意图。

图3是图1的一种使用状态结构示意图。

图4是图1的另一种使用状态结构示意图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。

请参见图1，本实用新型提供一种基于光谱波长的非接触式位移测量装置，包括，

点状光源1，出射多色光，本实用新型中的多色点状光源可以采用白光LED，当然，只要是能够发出点状光的复合光的光源均是可以采用的；

光学元件2，使所述光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光会聚于测量对象物3上，所述光学元件包括衍射透镜21和物镜22，衍射透镜21是使从点状光源出射的光沿着光轴Z的方向产生轴向色差，显然，作为产生轴向色差的光学元件，并不仅限于衍射透镜21，也可以是多枚透镜组合而成的光学元件；物镜是将利用衍射透镜产生色差的光会聚于测量对象物的光学元件，此外，物镜22同时还将来自测量对象物3的反射光校正为平行光。校正后的光入射到衍射透镜21。衍射透镜21的光轴与物镜22的光轴相一致。且衍射透镜21的光轴的方向与共焦测量装置的测量轴的方向相一致；

本实用新型中的衍射透镜21的结构可以是在衍射透镜21的一个表面上，周期性地形成例如全息图形状或者二进制形状（台阶形状、阶梯形状）等微小的起伏形状，或者，在衍射透镜21的一个表面上，形成周期性地改变光的透过率的振幅型波带片。此外，衍射透镜21的结构并不限定于上述记载的结构。

例如,衍射透镜21也可以具有如下的结构：在玻璃或者树脂等单一材料的基板上，形成沿着光轴方向产生色差的图案。取而代之,衍射透镜21也可以由例如玻璃基板层以及树脂层构成。树脂层能够通过在玻璃基板上涂敷紫外线固化树脂，将期望的图案的模具按压于涂敷有紫外线固化树脂的玻璃基板的表面,照射紫外线以使紫外线固化树脂固化来形成。若采用该方法，则制造成本变得低廉。

第一测量器4，其具有开口41，在由所述光学元件2会聚的光中，使聚焦于所述测量对象物3上的光通过，本实用新型的核心在于在第二测量器5前增加了一个带开口41的第一测量器4，使得第一测量器4不仅具有测量预定的参考光谱的光环的重心位置的功能，而且还起到光栅的作用；

第二测量器5求出通过所述开口的光的光谱，基于所述光谱的峰波长，求出所述光学元件2与所述测量对象物3之间的距离，当聚焦于所述测量对象物3上的光没有受理任何干忧时，该光可以直接被反射到第二测量器5上，这时的距离补偿值为0；本实施例中的所述衍射透镜21的具体结构如上面所述，这里不再重复叙述；

第一测量器4求出预定的参考光谱6的光环的重心位置坐标61与第一测量器4上的光轴中心点42之间的位置偏移量E；

控制器7，利用与所述位置偏移量E关联的距离补偿值来校正所述距离，包括从预先标定好的数据库找出所述位置偏移量与其关联的距离补偿值，并利用距离补偿值来校正所述距离；如果重心位置坐标中的Y值大于零，则在第二测量器求出的距离的基础上加上距离补偿值；如果重心位置坐标中的Y值小于零，则在第二测量器5求出的距离的基础上减去距离补偿值；如果重心位置坐标中的Y值等于零，则第二测量器5求出的距离不变；并且控制整个位移测量装置的各部件的协调工作；图3所示实施例中，由于参考光谱的光环是圆，其Y=0,所以距离补偿值为0。

显示器8，用于显示控制器7输送过来的图像信息，实现人机信息交换；本实施例中的显示器8具有至少两个显示窗口，可以分别显示第一测量器4和第二测量器5的图像信息。

本实用新型中，第一测量器4和第二测量器5可以是线阵CMOS (互补金属氧化物半导体）或者是线阵CCD(电荷耦合器件)。也可以是二维CMOS或者二维CCD。

请参见图2，图章2是本明的位置偏移量E的计算方法，图2所示实施例中的参考光谱是以红光为例加以说明的，至于其它参考光谱，如蓝色，与图2所示方法类似。当参考光谱射到一具有一定曲度的测量对象物上时，被反射回第一测量器的光环会变形，呈一椭圆形，如图2所示，这种情况下，求出所述位置偏移量的步骤包括以光轴中心点为原点建立直角坐标系O-xy，利用参考光谱的光环上的预定个数i的坐标点1（x1,y1)、坐标点2 (x2,y2)、坐标点3 (x3,y3)...... 坐标点i-1 (x(i-1),y(i-1))和坐标点i (xi,yi)，其中i为参考光谱的光环在第一测量器上的像素点的数量，求出参考光谱的光环的重心坐标点S1（X,Y），其中，x=(x1+x2+‥+xi)/i ；Y=(y1+y2+‥+yi)/i ；再利用所述重心坐标点S1（X,Y）求出所述位置偏移量，所述重心坐标点S1（X,Y）到光轴中心点的位置偏移量E为：E²=X²+Y²。本实用新型中，坐标点i的数量是依据第一测量器的点阵像素而定的。

优选的，利用与所述位置偏移量关联的距离补偿值来校正所述距离步骤包括从预先标定好的数据库找出所述位置偏移量与其关联的距离补偿值，并利用距离补偿值来校正所述距离。本实用新型中的所述位置偏移量与距离补偿值之间的关系，是在测量前预先标定好的，并以数据库的格式预存在测量装置中的，标定的过程是将标准被测物放在被测物台面上，用上述测试方法测出所述位置偏移量，再与事先用其它测试测定的距离补偿值进行关联，建立相关数据库，标定过程的具体计算，在这里不赘述。

为了方便计算，本实用新型中的所述参考光谱可以是三基色中的蓝光或红光。

参见图3，图3是图1所示实施的一种使用状态结构示意图，图中的所示的基于光谱波长的非接触式位移测量装置与图1所示的完全相同，所不同的是测量对象物3的被测量反光没有正确的反射到第二测量上，而只反射了相邻光谱波长的峰值，这种状态下，由于Y值大于0，所以要邻光谱波长的峰值计算出的距离的基础上，加上距离补偿值，得出实际被测点的距离。

参见图4，图4是图1所示实施的另一种使用状态结构示意图，图中的所示的基于光谱波长的非接触式位移测量装置与图1所示的完全相同，所不同的是测量对象物3的被测量反光没有正确的反射到第二测量上，而只反射了相邻光谱波长的峰值，由于Y值小于0，所以要邻光谱波长的峰值计算出的距离的基础上，减去距离补偿值，得出实际被测点的距离。

Claims (2)

1.一种基于光谱波长的非接触式位移测量装置，包括，

点状光源，出射多色光，

光学元件，使所述光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光会聚于测量对象物上，其特征在于：

第一测量器，其具有开口，在由所述光学元件会聚的光中，使聚焦于所述测量对象物上的光通过，

第二测量器，求出通过所述开口的光的光谱，基于所述光谱的峰波长，求出所述光学元件与所述测量对象物之间的距离，

控制器，控制整个位移测量装置的各部件的协调工作。

2.根据权利要求1所述的基于光谱波长的非接触式位移测量装置，其特征在于：还包括显示器（8），用于显示控制器（7）输送过来的图像信息，实现人机信息交换。