一種天平加載頭位姿檢測設備的製作方法

2023-11-04 16:47:32

本實用新型涉及風洞試驗所用天平校正系統領域，具體地，涉及一種天平加載頭位姿檢測設備。

背景技術：

力學天平是風洞實驗中用來測量物體在風洞中受力情況及形變的一種重要測量儀器，在實驗前一般需要對其進行校正以獲得其輸出信號與受力情況及形變間的關係，從而研究物體在風洞中的空氣動力學特性。對天平進行校正有多種結構及系統形式，其中一種是復位校正系統。這種校正系統的特點是先將加載頭置於一種平衡狀態(或初始狀態)，再在天平的受力設備上施加各種力來模仿物體可能的受力情況，並要求此時將天平的位置姿態以高精度的要求恢復到初始的平衡狀態，則最終施加在天平上的各種力代表了受力的狀態，並以此校正天平各種輸出信號。在這個過程中，還要求不對加載頭的復位工作產生額外影響，最好採用非接觸方式。在這個過程中，由於力的施加及復位過程是一個複雜的變化過程，而復位過程是一個動態的姿態測量、反饋控制過程，存在調節能力不足、控制失誤等可能，這將導致天平的姿態發生變化甚至非常大的變化，並超出常規的測量範圍，因此天平加載頭的位置姿態如何在較大的範圍內進行檢測及達到較高的檢測精度要求等成為一個重要的問題。

綜上所述，本申請實用新型人在實現本申請實用新型技術方案的過程中，發現上述技術至少存在如下技術問題：

在現有技術中，現有的平加載頭位姿檢測設備，存在無法同時進行加載頭位置姿態的大範圍變化監測與復位位置姿態附近的高精密檢測的技術問題。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種天平加載頭位姿檢測設備，解決了現有的天平加載頭位姿檢測設備所存在無法同時進行加載頭位置姿態的大範圍變化監測與復位位置姿態附近的高精密檢測的技術問題，實現了利用本申請中的天平設備加載頭位置姿態的大範圍變化監測與復位位置姿態附近的高精密檢測可以同時進行，並滿足了加載頭位置姿態檢測的大範圍、高精度測量要求。

為解決上述技術問題，本申請提供了一種天平加載頭位姿檢測設備，所述設備包括：

指示光源、位置探測結構，所述指示光源安裝在待檢測天平加載頭上表面，所述位置探測結構包括：指示光斑照射靶面、光學成像系統、位置探測器，所述指示光斑照射靶面開設有中心孔，所述位置探測器的端面設有開口，所述開口中心線與所述中心孔中心線重合，所述位置探測器固定在所述指示光斑照射靶面的背面，所述光學成像系統位於所述指示光斑照射靶面的正面前方。

其中，當安裝在待檢測天平加載頭上的指示光源發出光後照射在指示光斑照射靶面上，當照射在指示光斑照射靶面的非中心孔區域時，光學成像系統利用光線在靶面上的反射光進行成像，通過對光斑圖像的處理完成加載頭位置姿態的大範圍變化測量及監測；當光線穿過中心孔時，則會直接在位置探測器上進行成像，由於探測器的高分辨力，從而利用位置探測器可以實現對復位位置姿態進行高精密檢測的要求。

本申請中的天平加載頭的測控提出了這樣一種測量與控制要求：當天平加載頭位置姿態遠離平衡位置時，對位置姿態的測量精度要求可以大幅度地降低，但希望控制機構可以快速將其復位到平衡位置附近；當天平加載頭位置姿態處於平衡位置附近時，則要求對位置姿態的測量精度達到較高的水平，並希望控制機構逐步地以較高的精度將天平加載頭的位置姿態復位到平衡狀態。為了滿足天平加載頭姿態檢測的大範圍、高精度復位這種要求，提出了一種解決措施：當天平加載頭姿態偏離平衡狀態很大時，採用一種粗調系統，包括大範圍的位移測量(可以高達±30cm或更大一些的測量範圍)及復位控制技術；當天平加載頭姿態偏離平衡位置較小時，啟用精密的檢測及調控系統，包括小範圍的精密位移測量系統及高精度的反饋控制系統。這是基於測量範圍大，則測量精度要求低、復位調節原理可以簡單化及控制過程可以快速化的思路，這種方式完全可以滿足加載頭姿態粗調時低精度、快速度的要求；當粗調狀態進入到精細復位的狀態時，啟用精密檢測及復位方式，然後以很高的測量精度及復位精度可以逐步慢慢地逼近加載頭平衡狀態，最終完成加載頭的復位。這樣一種把兩種範圍內的不同測量方式融合在一起的形式解決了大範圍、高精度的綜合測量要求。

由於現有位置探測器的限制，如果選用探測器直接進行位置探測的技術路線，如利用面陣CCD或其它二維位置測量器件，則只能在約20mm×20mm的面積內實現高精度的位置測量，無法兼顧上述大範圍測量的要求。但如果通過本申請中的將大範圍內的位置信息轉換到一個較小的比較合理的範圍內來進行測量，雖然測量精度可能降低，但可以滿足大範圍內可以進行測量的要求。

本申請利用一種基於成像光學系統的大範圍位置檢測系統及圖像信息處理的方法構建了一種滿足天平加載頭姿態的檢測設備，可以滿足在較大範圍內進行位置測量但精度要求較低的要求。利用CCD相機及成像光學系統獲取照射在靶面上的指示光源的圖像，由於成像比例的關係，這種方式很容易地做到將大範圍內的信息成像在一個較小的CCD晶片上，從而獲得大範圍內的相關信息；鑑於大範圍的測量精度要求低的特點，可以簡單地對光源光斑的圖像特徵進行圖像數據處理(如最大值法)以獲得指示光源的位置信息，從而獲取加載頭姿態初步測量的結果。本申請利用一種基於位置探測器直接進行探測的小範圍位置檢測及圖像數據處理方法構建了一種滿足天平加載頭姿態的檢測設備，滿足在較小範圍內進行位置的高精度測量要求。當天平加載頭的位置姿態進入精細測量及調節範圍時，此時，指示光源直接照射在用於精細測量的CCD晶片上，採用精密的光斑處理技術可以獲取光斑在CCD上的精確位置，從而獲得加載頭在精細復位時的姿態數據用於反饋控制。通過指示光源照射靶面的結構設計及探測器、光學成像系統布局的設計，使得在靶面上形成的指示光源可以被兩種狀態下的測量方式共用，並經不同的處理方式獲得位置測量信息，提高了位置探測系統的緊湊性。

其中，所述光學成像系統包括：CCD相機和鏡頭；所述位置探測結構固定在安裝支架上；所述設備具體包括4個位置探測結構，所述4個位置探測結構均勻分布在待檢測天平加載頭四周並在水平面內以相互垂直的方式安裝，呈現一種坐標系的形式，以便測量結果便於用於位置逆解而獲得天平的空間姿態。

其中，所述設備還包括連接支架，所述連接支架一端與所述光學成像系統連接，所述連接支架另一端與所述位置探測器連接；所述位置探測器具體包括：外殼、光電探測器、光電探測器安裝板、信號處理器，所述光電探測器、所述光電探測器安裝板、所述信號處理器均安裝在外殼內，所述光電探測器晶片安裝在光電探測器安裝板上，所述光電探測器與所述信號處理器連接，所述光電探測器中心線與所述開口中心線重合；所述光電探測器的測量面積大於中心孔的面積；所述光電探測器包括：面陣CCD、二維PSD；所述光電探測器安裝板通過緊固螺釘固定在外殼上。

本專利解決其技術問題所採用的技術方案是：根據天平加載頭粗調時要求的測量範圍，設計一個具有最大可用面積的供指示光源照射的靶面(外框為圓形或方形均可)，照射面一側的靶表面採用具有漫反射功能的表面結構，並最好具有白色特性。將該靶面置於或粘接在位置探測器表面，在中心位置處開孔並以僅覆蓋CCD晶片邊沿很小一部分的狀態留出位置探測器需用的窗口，形成最終的指示光源的照射靶面。位置探測器主要由面陣CCD晶片構成，最好採用面積儘量大、像素尺寸儘量小的CCD晶片，但以滿足位置姿態精密測量範圍要求即可，不必過多地要求大面積；為了滿足高精密的測量要求，最好將CCD晶片以表面焊接的方式安裝在一個可以穩固在一定支架的面板上，並儘量遠離發熱源(如電路板上的電源模塊等)，減少熱脹冷縮的影響；當指示光斑照射在該CCD晶片上時，即刻可以獲得其光斑圖像，通過對光斑進行一定的圖像數據處理(如光斑質心處理)，可以獲得光斑在CCD晶片表面上的精確位置，一般達到像素級別是不存在問題，即可以達到數微米的測量精度，因此這種測量方式足以滿足加載頭位置姿態的高精度測量。但限於CCD晶片面積及像素尺寸的限制，這種方式可以測量的範圍相對較小，一般在15mm以內；這種方式用於加載頭位置姿態的小範圍、高精度測量。在需要大範圍測量時，則採用CCD相機成像系統來實現。通過選擇焦距合適的成像鏡頭，與CCD相機一起可以組成一種照相系統，能夠完成對相應成像面積(指示光源的照射靶面)的成像，獲取成像區域內的相關信息。用其對指示光源照射的靶面進行成像，則可以獲得包含了天平加載頭位置姿態信息的指示光源的圖像，由於測量精度要求大幅降低，可以對指示光源在靶上的位置信息進行簡單化的處理(如採用最大值法)，則可以快速地獲得天平加載頭位置姿態的信息。根據天平加載頭姿態可能變化的範圍，選擇鏡頭焦距，可以滿足變化範圍內的測量。這種測量方式用於天平加載頭位置姿態的粗略測量，具有測量範圍大且方便調節的特點，本身由於測量精度要求不高，處理可以簡單化、快速，滿足此時測量與調節的要求。

本申請提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

本實用新型的有益效果是，利用CCD相機與合適焦距的成像鏡頭組合成一種可以對較大面積的區域進行成像的測量系統，通過對成像區域內特定指示光源的圖像處理，可以獲得相應的位置姿態信息，從而獲得一種大範圍內的測量效果，簡化了大範圍位置測量系統的複雜性。通過基於CCD晶片型的位置探測器的使用，直接對指示光斑的空間位置進行測量可以獲得指示光斑的空間位置姿態信息，滿足了小範圍、高精度的位置姿態測量要求。在兼顧大範圍測量時指示光斑照射的特徵，進行指示光斑照射靶面的設計，可以有效地將兩種測量要求的指示光線照射靶面結構融合在一起，並滿足兩種位置測量系統對大範圍、較低精度及小範圍、高精度測量的共同要求，最終很好地將兩種測量系統融合在一起形成了一種天平加載頭位置姿態的檢測系統，滿足了天平加載頭位置姿態的大範圍、高精度的檢測要求，解決了以往大範圍、高精度不能同時進行的檢測問題。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本實用新型實施例的限定；

圖1是天平加載頭位姿檢測設備結構示意圖；

圖2是一路姿態測量設備構成的示意圖；

圖3是位置大範圍測量及精密測量功能融合在一起的探測器組成示意圖；

圖4是靶面與基於面陣CCD晶片的位置探測器融合在一起的結構示意圖；

圖5是基於面陣CCD晶片的位置探測器布局示意圖；

圖6a-圖6c是指示光斑在位置探測器表面的幾種位置情況示意圖；

圖7是一種位置姿態測量策略流程示意圖；

其中，1-位置姿態待測的加載頭及天平，2-指示光源，3-位置探測結構，4-位置探測結構安裝支架，5-指示光斑照射靶面，6-中心孔，7-CCD相機，8-鏡頭，9-指示光線束，10-基於面陣CCD晶片的位置探測器，11-開口，12-連接支架，13-CCD晶片，14-緊固螺釘，15-安裝板，16-線路板，17-電子元件，18-預設中心點坐標。

具體實施方式

本實用新型提供了一種天平加載頭位姿檢測設備，解決了現有的天平加載頭位姿檢測設備所存在無法同時進行加載頭位置姿態的大範圍變化監測與復位位置姿態附近的高精密檢測的技術問題，實現了利用本申請中的天平設備加載頭位置姿態的大範圍變化監測與復位位置姿態附近的高精密檢測可以同時進行，並滿足了加載頭位置姿態檢測的大範圍、高精度測量要求。

為了能夠更清楚地理解本實用新型的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不衝突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型，但是，本實用新型還可以採用其他不同於在此描述範圍內的其他方式來實施，因此，本實用新型的保護範圍並不受下面公開的具體實施例的限制。

在圖1中，1是位置姿態待測的加載頭及天平，2指示光源，3是位置探測結構，4是位置探測結構安裝支架。

在圖3中，5是指示光斑照射靶面，其外形不限於圓形、方形等，受指示光斑照射一面的表面採用漫反射面結構，便於光斑的採集及圖像數據處理，靶面中心位置開中心孔6。7、8是CCD相機及鏡頭，構成光學成像系統。10是基於面陣CCD晶片的位置探測器，其外形不限於圓形、方形等，對應中心位置開口11。12是將光學成像系統固定在位置探測器上的連接支架，其形式不限於固定在位置探測器上，可以固定於其它支撐支架上。

在圖4中，5是指示光斑照射靶面。10是基於面陣CCD晶片的位置探測器。5與10之間通過粘接或螺釘鉚接固定均可，但需要將指示光斑照射靶面5上的中心孔6與位置探測器上通光開口11對齊以確保指示光線能夠正常照射在位置探測器內部的光電探測器CCD晶片13上，而CCD晶片13需要對齊開口11，CCD晶片13的有效測量面積應稍大於中心孔6以確保在測量面內當指示光斑照射位置從大範圍過渡到小範圍測量時總能獲得指示光斑的有效圖像。15是CCD晶片的安裝板，也可以作為CCD晶片的驅動及信號處理電路板共同使用，但儘量在其上少安裝電子元件尤其是發熱較重的電源模塊等，安裝板15通過緊固螺釘14等固定在10的外殼上(如端面板上)，這個步驟對安裝要求較高，需要謹慎處理。16是信號處理的線路板，17是線路板16上的電子元件。

在圖5中，這是基於面陣CCD晶片的位置探測器結構示意，主要需要保證CCD晶片13的有效探測面對齊其端面開口11，並要求開口11的面積稍小於CCD晶片13的有效探測面積。在探測器中的光電探測器包括但不限於面陣CCD，二維PSD也是很好的一種探測器件，由於多數二維PSD器件的有效探測面是圓形，因此，其上的開口不限於方形，也包括圓形；但採用二維PSD探測器後，其指示光斑的位置信息相關的處理方式將發生變化，主要將依賴於電子線路對PSD輸出的電流信號進行直接處理，但處理速度較快並直接獲得處理結果。

天平加載頭姿態檢測系統全貌的結構及組成示意：姿態檢測系統主要由圖1中的指示光源2、融合了大範圍及精密位置測量功能的位置探測結構3構成，其中位置探測結構3又由三大部分組成：由CCD相機7及鏡頭8組成的用於大範圍位置測量的光學成像測量系統、基於CCD晶片的位置探測器10、融合了可供大範圍及精密位置測量的指示光斑照射靶面5組成，如圖2及圖3組成所示。位置探測結構3共有四路，安裝在位置探測結構安裝支架4上，分布於相互垂直的四個方向上，如圖1所示。

天平加載頭姿態的指示：在天平加載頭上安裝指示光源2，保證指示光源2與加載頭1之間是固定不動的。指示光源2在同一個平面內(水平面)在四個方向上(最好是嚴格相互垂直的，便於位置逆解算)產生指示光線束9，指示光線束9的直徑儘量小，如圖1所示。由於這些指示光線束間的相互位置關係確定，可以作為標準的參考方向，又由於指示光源與加載頭間是固定的，加載頭的位置姿態變化與指示光源的位置姿態變化是一致的，因此，指示光線束的指向代表了加載頭的姿態，對這些指示光線束的位置進行測量及進行姿態的求解就相當於對加載頭的姿態進行測量。在復位型的加載頭天平校正系統中，無需進一步進行姿態求解，只需要對指示光線束位置進行精密測量，並確保校正系統根據測量結果可以進行姿態的精密復位即可。基於高精度測量要求，這些光線束的指向需要具有較高的穩定度。

指示光線束位置的大範圍測量：這個功能由CCD相機7及鏡頭8構成的光學成像系統完成，指示光斑照射靶面5的形狀及面積根據加載頭姿態可能的變化範圍確定,通過選用焦距合適的鏡頭可以將整個指示光斑照射靶面5的情況成像在CCD相機上,從而獲得包含了位置測量信息的整個指示光斑照射靶面5的圖像。光學成像系統進行固定時，需要避免遮擋住照射的指示光線束9。指示光線束9照射在靶5的表面上，形成一個亮斑的圖像，這個亮斑的位置就是用於大範圍位置測量的主要信息。將光學成像系統對準靶面5進行成像，獲取包含測量位置信息的亮斑圖像，通過使用包含但不限於圖像最大值化、質心算法等方法的圖像處理並提取出亮斑的質心位置坐標，該亮斑質心位置坐標即是指示光束9在指示光斑照射靶面5上的位置信息，如圖6所示。將亮斑質心位置坐標與指示光斑照射靶面5的預設中心點坐標18進行比較，即可獲得指示光束偏離中心軸線的偏離值，將其提供給控制系統進行相應反饋控制即可。為了降低亮斑背景圖像的影響及提高亮斑探測的精準程度，可以在鏡頭上加裝一定帶寬的濾波片，濾除除指示光線波長外的其它光線，突出亮斑的圖像質量。這種方式可以滿足±30cm及以上範圍的位置檢測，精度容易地達到0.1mm-0.2mm，足以滿足大範圍、一定精度的位置檢測要求。

指示光線束位置的小範圍精密測量：這個檢測功能主要基於CCD晶片的位置探測器10完成。當指示光束進入到精密檢測的設定範圍即通光窗口中心孔6時，即指示光線束9可以較好地照射在位置探測器10的有效通光窗口時，如圖6中的中間圖所示。則可以獲得一幅包含了光斑直接照射的圖像，通過使用包含但不限於圖像最大值化、質心算法等方法的圖像處理並提取出亮斑的質心位置坐標，該亮斑質心位置坐標即是指示光束9在指示光斑照射靶面5上的位置信息。將亮斑質心位置坐標與指示光斑照射靶面5的預設中心點坐標18進行比較，即可獲得指示光束偏離中心軸線的偏離值，將其提供給控制系統進行相應反饋控制即可。在這種測量方式下，由於CCD晶片直接用於獲取照射光斑的圖像，其解析度達到CCD像素的水平，光斑圖像經過圖像處理後的質心位置的測量精度一般在像素或亞像素的水平，也即可以達到數μmm的水平；但有效的探測面積也限制在CCD晶片的面積範圍內。一般而言，CCD晶片尺寸小於15mm，因此這種方式可以滿足15mm範圍內的精密位置檢測，測量精度可以達到10μmm以下，滿足小範圍的精密位置檢測要求。為了降低環境散射光的影響，可以在開口11或中心孔6上安裝窄帶濾光片以消除除指示光源外的光線的影響，獲得較為乾淨的光斑圖像用於圖像處理，最終獲得高精度的質心位置坐標。

過渡階段的指示位置測量：當指示光斑落在從大範圍測量區域到精密測量區域的過渡邊界上時，需要進行一種測量策略的選擇。由於在這個區域上無所謂精密測量要求(可以精度較低，也可以較高。)，可以以粗測方式對待以簡化數據處理。此時，兩種測量方式均會獲得有一定亮度的光斑圖像，也許不夠完整，但可以用判斷光斑圖像中最大值位置的方法來獲得其坐標，並以其為指示光束的位置。

關於指示位置的一種測量策略如圖7所示。

通過位置探測器的上述兩個測量功能的有機融合可以完成了天平加載頭的姿態的大範圍粗略測量及精密測量，再根據控制策略對加載頭的姿態進行調控，直到滿足精密的復位要求。

在基於CCD晶片的位置探測器中，鑑於二維PSD器件具有的一定優勢，如速度快、實時性好、直接輸出代表坐標位置的電壓信號等，也可以使用二維PSD器件代替CCD晶片構成位置探測器，只是相應的光斑圖像處理方法需要進行改變並以處理電路的形式代替，適應這種數據處理變化即可。

上述本申請實施例中的技術方案，至少具有如下的技術效果或優點：

本實用新型的有益效果是，利用CCD相機與合適焦距的成像鏡頭組合成一種可以對較大面積的區域進行成像的測量系統，通過對成像區域內特定指示光源的圖像處理，可以獲得相應的位置姿態信息，從而獲得一種大範圍內的測量效果，簡化了大範圍位置測量系統的複雜性。通過基於CCD晶片型的位置探測器的使用，直接對指示光斑的空間位置進行測量可以獲得指示光斑的空間位置姿態信息，滿足了小範圍、高精度的位置姿態測量要求。在兼顧大範圍測量時指示光斑照射的特徵，進行指示光斑照射靶面的設計，可以有效地將兩種測量要求的指示光線照射靶面結構融合在一起，並滿足兩種位置測量系統對大範圍、較低精度及小範圍、高精度測量的共同要求，最終很好地將兩種測量系統融合在一起形成了一種天平加載頭位置姿態的檢測系統，滿足了天平加載頭位置姿態的大範圍、高精度的檢測要求，解決了以往大範圍、高精度不能同時進行的檢測問題。

儘管已描述了本實用新型的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本實用新型範圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和範圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬於本實用新型權利要求及其等同技術的範圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。