槓桿式微位移光學測定裝置的製作方法

2023-12-09 22:21:46 2

專利名稱：槓桿式微位移光學測定裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及微位移、微應變測試方法及其裝置，尤其涉及一種微位移光學測試方 法及其裝置。
背景技術：
目前測量微形變方法通常有幹涉法、雷射測距法、電容法、差動變壓器法等。其中電 容法和差動變壓器法將微形變測量轉化為電量測量，都需要與被測表面接觸屬接觸法測量， 幹涉法和雷射測距法將微形變量轉化為光學測量，無需與被測表面接觸是非接觸測量。接 觸測量通過測頭接觸被測表面來獲取被測形面的幾何信息，測量精度高，但測量效率較低， 測量範圍相對較小；非接觸測量又可分為雷射測量和CCD視覺測量，二者都是通過對被測 物圖像的檢測實現對被測物形面的信息提取，其採點速度明顯較快，測量範圍也較大，精 度相對較低。光學方法廣泛應用於各種檢測中包括線位移、角位移、速度、振動、加速度等，線位 移或應變測試應用中光學方法按光學原理分有光學幹涉法、光學強度法、位置檢測法以及 光電動勢法等其他光學方法。光學幹涉法主要基於邁克耳遜幹涉法原理進行測量，包括偏振幹涉、外差幹涉及多光 束幹涉等，麥克遜幹涉法能快速測量線位移，其具有很高的準確度(nm級)和解析度(pm級)， 受幹涉光波長影響比較大，測量範圍有限(幾十iim)。但其對測試環境要求較高，適合於 實驗室科研使用。對於高精度要求時，幹涉法要求光波長穩定度優於4X10—6，光源溫度穩 定度優於0. 01攝氏度，對於更高的精度要求時要考慮光強度分布的均勻性以減少衍射對測 試結果的影響，還要考慮其他影響因素如測試系統所有部分的穩定度。隨著光電科技的進步，光電傳感器技術獲得了很大的發展，在此基礎上發展出來了位 置檢測法，包括光學電位計法、PSD法和離散位置檢測器法等。光學電位計是M. F. Laguesse於1989年研製的一種光電位計式位置傳感器，像一個電位 計，光源作為滑動觸頭，螢光光纖作為靜接觸臂。通過兩端螢光光纖輸出信號電平來測量光 源移動距離，其測量結果與光纖長度、光學衰減係數等相關。PSD(Position-Sensitive Detector)是基於PN節隨著光照強度改變而產生不同光電流， 其測量精度影響因素包括暗電流、背景亮度和其他噪聲。PSD測試包括兩種測量方法，直流光電流法和交流相位檢測法，其具有各自的優缺點。其測量解析度可達lum，測量範圍可 達70mm。 PSD可以測量橫向位移和軸向位移。離散位置檢測器(Discrete Position Detectors)法PSD作為連續光傳感器而出現， 光傳感器陣列可以同時檢測光束位置和位移，其精度影響因素包括單個光傳感器的尺寸， 相對距離和光源強度分布。CCD作為離散位置檢測器的代表性器件能提供光的位置解析度 和光的強度信息，為圖像技術的發展提供了巨大的空間。在此基礎上發展起來的微位移檢 測方法有數字散斑相關法，雷射三角法、像散法、臨界角法、傅科法和斜光束法等，其具 有較高的解析度和精度。如斜射三角法量程可達1000um，分辨力小於0.2ym;以臨界角 法原理為基礎的高精度光學表面傳感器HIPOSS具有小於lnm的垂直解析度和0. 65 u m的水 平解析度；以像散法原理為基礎的表面粗糙度傳感器具有2nm的測量解析度。光學方法還有其他方法如光學增量編碼器可以測量線位移，解析度可達0.05um，測量 範圍可達幾十讓；Hartmann波面傳感器可以在20mm測量範圍獲得lum的精度；光電動 勢法可在2mm的量程獲得1 y m解析度。在現有的微位移、微應變測試方法中，ym精度的設備大多價格昂貴、設備複雜宏大， 因此，光學槓桿微位移測試方法應用於微位移、微應變有著良好的發展前景。實用新型內容本實用新型的目的是提出一種結構簡單、測試過程便於操作的槓桿式微位移光學測定 裝置。本實用新型採用如下技術方案一種槓桿式微位移光學測定裝置，包括光斑位移測定裝置，還包括槓桿，該槓桿設 在支撐上，以槓桿的短臂上的一點作為待測微位移的輸入端，在槓桿的長臂上設有雷射器， 在雷射器的前方設有用於顯示光斑位移的投影面，上述光斑位移測定裝置用於雷射器所發 出光斑的位移量的獲取及微位移的計算。本實用新型的雷射器設在槓桿長臂的端部，且使雷射器產生的雷射束與槓桿平行。以槓桿短臂的端部作為待測微位移的輸入端。支撐的下端連接一基座，在基座1上設有一塊電源極板，在待測微位移的輸入端上連接有兼做配重用的接觸杆，在接觸杆的下方設有另一電源極板，上述一塊電源極板與另 一 電源極板分別連接於可調高壓電源。本實用新型通過槓桿放大原理將微小位移被測量放大，通過光學方法減少機械槓桿尺 寸。槓桿短臂由傳感臂和機械槓桿左半部分組成，槓桿長臂由機械槓桿右半部分和雷射器產生的光路共同組成。微位移傳感臂將檢測到的微位移傳遞給槓桿短臂，測量時使槓桿測 頭接觸待測點，這樣槓桿測頭中心的坐標就是待測點坐標。放大槓桿長臂上雷射器將其測 頭微位移放大後形成光斑投影到遠處投影面上，攝像機將光斑映射到攝像機成像平面上， 計算機檢測光斑在投影面上的位移。採用已知特徵光斑作為成像目標，測量時CCD攝像機採 集特徵光斑的圖像，經過圖像處理和分析得到被測特徵點的像面坐標值後，將其應用於方 程得到待測點的坐標，從而進一步可以得到微位移。計算機通過與原始光斑圖像比較可以 得到微位移，由於只需要計算當前光斑圖像數據，數據處理較快，能以較快速度給出測量 結果，實際最大測試速度與攝像頭幀數及計算機處理速度有關。整個系統置於一個抗振平 臺上以消除振動和其他因素對測試結果的影響。系統中採用了一個三維微位移臺以方便測 試中的位置微調，同時該微位移臺也適用於系統校準和標定。短臂由傳感臂和機械槓桿左半部分組成，長臂由機械槓桿右半部分和雷射器產生的光 路共同組成，由於長臂一部分採用了光路減輕了實際機械重量和尺寸，也有利於保持槓桿 兩端平衡。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點-1. 本實用新型採用機械槓桿原理，結構簡單易行。2. 機械長臂由機械槓桿右半部分和雷射器產生的光路共同組成，由於長臂一部分採用 了光路而大大減小了實際機械槓桿重量和尺寸，有利於避免槓桿兩端保持平衡需要的配重。3. 短臂L1由傳感臂和機械槓桿左半部分組成，長臂L2由機械槓桿右半部分和雷射器 產生的光路共同組成，由於長臂一部分採用了光路減輕了實際機械重量和尺寸，也有利於 保持槓桿兩端平衡。4. 光學處理方法中光斑中心求取方法能較好的消除了平臺和傾角及其他因素導致的誤 差，同時還可以推算出光斑峰值。


圖l為本實用新型系統總體示意圖。圖2使本實用新型的實施例系統總體示意圖。其中，l一固定基座，2—三維微位移臺，3 —可調高壓電源，4一負極板， 5 —正極板，6—被測對象，7—傳感臂，8_短臂，9一支撐中心，IO —雷射器，ll一長臂， 12 —投影面，13—光斑中心，14一CCD攝像頭，15 —計算機， 16—光斑檢測部分圖3為光學槓桿法放大測量原理圖，圖中L2為槓桿支撐中心到投影面的垂直距離，Ll為槓桿支撐中心到接觸點的距離，HI為接觸點距其初始位置的垂直位移，H2為光斑中心的 垂直位移，a為槓桿中心到接觸點連線與水平線間的夾角。9為光學槓桿的旋轉角。圖4為利用本實用新型對兩個電致伸縮樣品進行測量所得的升壓曲線和降壓曲線，測 試中設定連續加載高壓並同時測量微形變，測定樣品的動態和靜態特性。
具體實施方式
一種槓桿式微位移光學測定裝置，包括光斑位移測定裝置16，還包括槓桿，該槓桿設在支撐9上，以槓桿的短臂8上的一點作為待測微位移的輸入端，在槓桿的長臂11上設 有雷射器IO，在雷射器10的前方設有用於顯示光斑位移的投影面12，上述光斑位移測定 裝置16用於雷射器10所發出光斑的位移量的獲取及微位移的計算。本實用新型的雷射器10設在槓桿長臂11的端部，且使雷射器10產生的雷射束與槓 杆平行。以槓桿短臂8的端部作為待測微位移的輸入端。支撐9的下端連接一基座1，在 基座1上設有一塊電源極板5，在待測微位移的輸入端上連接有兼做配重用的接觸杆17， 在接觸杆17的下方設有另一電源極板6，上述一塊電源極板5與另一電源極板6分別連接 於可調高壓電源4。以被測對象為電致伸縮材料為例，將電致伸縮材料置於一塊電源極板5與另一電源極 板6之間，在外加電壓下將發生應變，在低壓下應變量非常小，^變化範圍並不大，而是 限制在一定範圍內，若L24m， L1=0. 05m'則對應線性放大係數為100，假定"(-0. 03， 0. 03)，則有如圖4.8(b)所示關係，可以發現非線性放大係數"(L37,L46)，非線性變化最大為6.2%，對應測量範圍為2. 12ram;假定"(-0. 003, 0. 003)，則有如圖4. 8(c)所示關係，可以 發現非線性放大係數^("廳,1.4185)，變化最大為0.75%,對應測量範圍為0.212mm;採用 0S(-0.003, 0.003)時的測量範圍對於電致伸縮測量已經足夠。實際測量中測試範圍為 150 u m，非線性放大係數變化更小，忽略非線性放大係數在^ (-0. 003, 0. 003)範圍內微小 的非線性引入的誤差更小，其最大理論測量誤差小於0. 3y m。 具體測試步驟如下(1) 將被測對象用夾具夾持在測試設備中，使槓桿測頭接觸待測點。(2) 放大槓桿長臂上雷射器將其測頭位置對應光斑投射到遠處投影面上，攝像機14 將光斑13映射到攝像機成像平面上，計算機15檢測光斑在投影面上的初始位置。(3) 使被測對象發生微位移或微應變，測試系統檢測出對應位移變過程並給出微位移 量，通過計算可以得到微應變量。光斑中心求取步驟如下(1) 對光斑圖像數據進行初始濾波，消除噪聲；(2) 採用多橢圓環質心法檢測出光斑是否有明顯的偏心及其方向，然後根據該檢測結 果手工調整以使偏心儘量小；(3) 進一步進行數據預處理，將光斑燒孔、衍射斑、中心飽和平臺數據剔除；(4) 對消除偏心、剔除燒孔、衍射和飽和平臺後的光斑圖像數據採用曲面擬合法進行 曲面擬合，復原出高斯光斑圖像並求取光斑中心。釆用光學槓桿法測量微位移，測量範圍150um，最大理論測量誤差小於0.3iim。
權利要求1、一種槓桿式微位移光學測定裝置，包括光斑位移測定裝置(16)，其特徵在於還包括槓桿，該槓桿設在支撐(9)上，以槓桿的短臂(8)上的一點作為待測微位移的輸入端，在槓桿的長臂(11)上設有雷射器(10)，在雷射器(10)的前方設有用於顯示光斑位移的投影面(12)，上述光斑位移測定裝置(16)用於雷射器(10)所發出光斑的位移量的獲取及微位移的計算。
2、 根據權利要求1所述的槓桿式微位移光學測定裝置，其特徵在於雷射器(10)設 在槓桿長臂(11)的端部，且使雷射器(10)產生的雷射束與槓桿平行。
3、 根據權利要求1所述的槓桿式微位移光學測定裝置，其特徵在於以槓桿短臂(8) 的端部作為待測微位移的輸入端。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的槓桿式微位移光學測定裝置，其特徵在於支撐(9) 的下端連接一基座(1)，在基座(1)上設有一塊電源極板(5)，在待測微位移的輸入端上 連接有兼做配重用的接觸杆(17)，在接觸杆(17)的下方設有另一電源極板(6)，上述一 塊電源極板(5)與另一電源極板(6)分別連接於可調高壓電源(4)。
專利摘要槓桿式微位移光學測定裝置，涉及微位移、微應變測試方法及其裝置。本實用新型採用如下裝置包括光斑位移測定裝置(16)，其特徵在於還包括槓桿，該槓桿設在支撐(9)上，以槓桿的短臂(8)上的一點作為待測微位移的輸入端，在槓桿的長臂(11)上設有雷射器(10)，在雷射器(10)的前方設有用於顯示光斑位移的投影面(12)，上述光斑位移測定裝置(16)用於雷射器(10)所發出光斑的位移量的獲取及微位移的計算。本實用新型實現了結構簡單、測試過程便於操作的目的。
文檔編號G01B11/02GK201104239SQ20072004654
公開日2008年8月20日 申請日期2007年10月26日 優先權日2007年10月26日
發明者吳劍鋒, 李建清, 林保平 申請人:東南大學