专利名称：杠杆式微位移光学测定装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微位移、微应变测试方法及其装置，尤其涉及一种微位移光学测试方 法及其装置。
背景技术：
目前测量微形变方法通常有干涉法、激光测距法、电容法、差动变压器法等。其中电 容法和差动变压器法将微形变测量转化为电量测量，都需要与被测表面接触属接触法测量， 干涉法和激光测距法将微形变量转化为光学测量，无需与被测表面接触是非接触测量。接 触测量通过测头接触被测表面来获取被测形面的几何信息，测量精度高，但测量效率较低， 测量范围相对较小；非接触测量又可分为激光测量和CCD视觉测量，二者都是通过对被测 物图像的检测实现对被测物形面的信息提取，其采点速度明显较快，测量范围也较大，精 度相对较低。光学方法广泛应用于各种检测中包括线位移、角位移、速度、振动、加速度等，线位 移或应变测试应用中光学方法按光学原理分有光学干涉法、光学强度法、位置检测法以及 光电动势法等其他光学方法。光学干涉法主要基于迈克耳逊干涉法原理进行测量，包括偏振干涉、外差干涉及多光 束干涉等，麦克逊干涉法能快速测量线位移，其具有很高的准确度(nm级)和分辨率(pm级)， 受干涉光波长影响比较大，测量范围有限(几十iim)。但其对测试环境要求较高，适合于 实验室科研使用。对于高精度要求时，干涉法要求光波长稳定度优于4X10—6，光源温度稳 定度优于0. 01摄氏度，对于更高的精度要求时要考虑光强度分布的均匀性以减少衍射对测 试结果的影响，还要考虑其他影响因素如测试系统所有部分的稳定度。随着光电科技的进步，光电传感器技术获得了很大的发展，在此基础上发展出来了位 置检测法，包括光学电位计法、PSD法和离散位置检测器法等。光学电位计是M. F. Laguesse于1989年研制的一种光电位计式位置传感器，像一个电位 计，光源作为滑动触头，荧光光纤作为静接触臂。通过两端荧光光纤输出信号电平来测量光 源移动距离，其测量结果与光纤长度、光学衰减系数等相关。PSD(Position-Sensitive Detector)是基于PN节随着光照强度改变而产生不同光电流， 其测量精度影响因素包括暗电流、背景亮度和其他噪声。PSD测试包括两种测量方法，直流光电流法和交流相位检测法，其具有各自的优缺点。其测量分辨率可达lum，测量范围可 达70mm。 PSD可以测量横向位移和轴向位移。离散位置检测器(Discrete Position Detectors)法PSD作为连续光传感器而出现， 光传感器阵列可以同时检测光束位置和位移，其精度影响因素包括单个光传感器的尺寸， 相对距离和光源强度分布。CCD作为离散位置检测器的代表性器件能提供光的位置分辨率 和光的强度信息，为图像技术的发展提供了巨大的空间。在此基础上发展起来的微位移检 测方法有数字散斑相关法，激光三角法、像散法、临界角法、傅科法和斜光束法等，其具 有较高的分辨率和精度。如斜射三角法量程可达1000um，分辨力小于0.2ym;以临界角 法原理为基础的高精度光学表面传感器HIPOSS具有小于lnm的垂直分辨率和0. 65 u m的水 平分辨率；以像散法原理为基础的表面粗糙度传感器具有2nm的测量分辨率。光学方法还有其他方法如光学增量编码器可以测量线位移，分辨率可达0.05um，测量 范围可达几十讓；Hartmann波面传感器可以在20mm测量范围获得lum的精度；光电动 势法可在2mm的量程获得1 y m分辨率。在现有的微位移、微应变测试方法中，ym精度的设备大多价格昂贵、设备复杂宏大， 因此，光学杠杆微位移测试方法应用于微位移、微应变有着良好的发展前景。实用新型内容本实用新型的目的是提出一种结构简单、测试过程便于操作的杠杆式微位移光学测定 装置。本实用新型采用如下技术方案一种杠杆式微位移光学测定装置，包括光斑位移测定装置，还包括杠杆，该杠杆设 在支撑上，以杠杆的短臂上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂上设有激光器， 在激光器的前方设有用于显示光斑位移的投影面，上述光斑位移测定装置用于激光器所发 出光斑的位移量的获取及微位移的计算。本实用新型的激光器设在杠杆长臂的端部，且使激光器产生的激光束与杠杆平行。以杠杆短臂的端部作为待测微位移的输入端。支撑的下端连接一基座，在基座1上设有一块电源极板，在待测微位移的输入端上连接有兼做配重用的接触杆，在接触杆的下方设有另一电源极板，上述一块电源极板与另 一 电源极板分别连接于可调高压电源。本实用新型通过杠杆放大原理将微小位移被测量放大，通过光学方法减少机械杠杆尺 寸。杠杆短臂由传感臂和机械杠杆左半部分组成，杠杆长臂由机械杠杆右半部分和激光器产生的光路共同组成。微位移传感臂将检测到的微位移传递给杠杆短臂，测量时使杠杆测 头接触待测点，这样杠杆测头中心的坐标就是待测点坐标。放大杠杆长臂上激光器将其测 头微位移放大后形成光斑投影到远处投影面上，摄像机将光斑映射到摄像机成像平面上， 计算机检测光斑在投影面上的位移。采用已知特征光斑作为成像目标，测量时CCD摄像机采 集特征光斑的图像，经过图像处理和分析得到被测特征点的像面坐标值后，将其应用于方 程得到待测点的坐标，从而进一步可以得到微位移。计算机通过与原始光斑图像比较可以 得到微位移，由于只需要计算当前光斑图像数据，数据处理较快，能以较快速度给出测量 结果，实际最大测试速度与摄像头帧数及计算机处理速度有关。整个系统置于一个抗振平 台上以消除振动和其他因素对测试结果的影响。系统中采用了一个三维微位移台以方便测 试中的位置微调，同时该微位移台也适用于系统校准和标定。短臂由传感臂和机械杠杆左半部分组成，长臂由机械杠杆右半部分和激光器产生的光 路共同组成，由于长臂一部分采用了光路减轻了实际机械重量和尺寸，也有利于保持杠杆 两端平衡。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点-1. 本实用新型采用机械杠杆原理，结构简单易行。2. 机械长臂由机械杠杆右半部分和激光器产生的光路共同组成，由于长臂一部分采用 了光路而大大减小了实际机械杠杆重量和尺寸，有利于避免杠杆两端保持平衡需要的配重。3. 短臂L1由传感臂和机械杠杆左半部分组成，长臂L2由机械杠杆右半部分和激光器 产生的光路共同组成，由于长臂一部分采用了光路减轻了实际机械重量和尺寸，也有利于 保持杠杆两端平衡。4. 光学处理方法中光斑中心求取方法能较好的消除了平台和倾角及其他因素导致的误 差，同时还可以推算出光斑峰值。
图l为本实用新型系统总体示意图。图2使本实用新型的实施例系统总体示意图。其中，l一固定基座，2—三维微位移台，3 —可调高压电源，4一负极板， 5 —正极板，6—被测对象，7—传感臂，8_短臂，9一支撑中心，IO —激光器，ll一长臂， 12 —投影面，13—光斑中心，14一CCD摄像头，15 —计算机， 16—光斑检测部分图3为光学杠杆法放大测量原理图，图中L2为杠杆支撑中心到投影面的垂直距离，Ll为杠杆支撑中心到接触点的距离，HI为接触点距其初始位置的垂直位移，H2为光斑中心的 垂直位移，a为杠杆中心到接触点连线与水平线间的夹角。9为光学杠杆的旋转角。图4为利用本实用新型对两个电致伸縮样品进行测量所得的升压曲线和降压曲线，测 试中设定连续加载高压并同时测量微形变，测定样品的动态和静态特性。
具体实施方式
一种杠杆式微位移光学测定装置，包括光斑位移测定装置16，还包括杠杆，该杠杆设在支撑9上，以杠杆的短臂8上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂11上设 有激光器IO，在激光器10的前方设有用于显示光斑位移的投影面12，上述光斑位移测定 装置16用于激光器10所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。本实用新型的激光器10设在杠杆长臂11的端部，且使激光器10产生的激光束与杠 杆平行。以杠杆短臂8的端部作为待测微位移的输入端。支撑9的下端连接一基座1，在 基座1上设有一块电源极板5，在待测微位移的输入端上连接有兼做配重用的接触杆17， 在接触杆17的下方设有另一电源极板6，上述一块电源极板5与另一电源极板6分别连接 于可调高压电源4。以被测对象为电致伸縮材料为例，将电致伸縮材料置于一块电源极板5与另一电源极 板6之间，在外加电压下将发生应变，在低压下应变量非常小，^变化范围并不大，而是 限制在一定范围内，若L24m， L1=0. 05m'则对应线性放大系数为100，假定"(-0. 03， 0. 03)，则有如图4.8(b)所示关系，可以发现非线性放大系数"(L37,L46)，非线性变化最大为6.2%，对应测量范围为2. 12ram;假定"(-0. 003, 0. 003)，则有如图4. 8(c)所示关系，可以 发现非线性放大系数^("廳,1.4185)，变化最大为0.75%,对应测量范围为0.212mm;采用 0S(-0.003, 0.003)时的测量范围对于电致伸縮测量已经足够。实际测量中测试范围为 150 u m，非线性放大系数变化更小，忽略非线性放大系数在^ (-0. 003, 0. 003)范围内微小 的非线性引入的误差更小，其最大理论测量误差小于0. 3y m。 具体测试步骤如下(1) 将被测对象用夹具夹持在测试设备中，使杠杆测头接触待测点。(2) 放大杠杆长臂上激光器将其测头位置对应光斑投射到远处投影面上，摄像机14 将光斑13映射到摄像机成像平面上，计算机15检测光斑在投影面上的初始位置。(3) 使被测对象发生微位移或微应变，测试系统检测出对应位移变过程并给出微位移 量，通过计算可以得到微应变量。光斑中心求取步骤如下(1) 对光斑图像数据进行初始滤波，消除噪声；(2) 采用多椭圆环质心法检测出光斑是否有明显的偏心及其方向，然后根据该检测结 果手工调整以使偏心尽量小；(3) 进一步进行数据预处理，将光斑烧孔、衍射斑、中心饱和平台数据剔除；(4) 对消除偏心、剔除烧孔、衍射和饱和平台后的光斑图像数据采用曲面拟合法进行 曲面拟合，复原出高斯光斑图像并求取光斑中心。釆用光学杠杆法测量微位移，测量范围150um，最大理论测量误差小于0.3iim。
权利要求1、一种杠杆式微位移光学测定装置，包括光斑位移测定装置(16)，其特征在于还包括杠杆，该杠杆设在支撑(9)上，以杠杆的短臂(8)上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂(11)上设有激光器(10)，在激光器(10)的前方设有用于显示光斑位移的投影面(12)，上述光斑位移测定装置(16)用于激光器(10)所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。
2、 根据权利要求1所述的杠杆式微位移光学测定装置，其特征在于激光器(10)设 在杠杆长臂(11)的端部，且使激光器(10)产生的激光束与杠杆平行。
3、 根据权利要求1所述的杠杆式微位移光学测定装置，其特征在于以杠杆短臂(8) 的端部作为待测微位移的输入端。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的杠杆式微位移光学测定装置，其特征在于支撑(9) 的下端连接一基座(1)，在基座(1)上设有一块电源极板(5)，在待测微位移的输入端上 连接有兼做配重用的接触杆(17)，在接触杆(17)的下方设有另一电源极板(6)，上述一 块电源极板(5)与另一电源极板(6)分别连接于可调高压电源(4)。
专利摘要杠杆式微位移光学测定装置，涉及微位移、微应变测试方法及其装置。本实用新型采用如下装置包括光斑位移测定装置(16)，其特征在于还包括杠杆，该杠杆设在支撑(9)上，以杠杆的短臂(8)上的一点作为待测微位移的输入端，在杠杆的长臂(11)上设有激光器(10)，在激光器(10)的前方设有用于显示光斑位移的投影面(12)，上述光斑位移测定装置(16)用于激光器(10)所发出光斑的位移量的获取及微位移的计算。本实用新型实现了结构简单、测试过程便于操作的目的。
文档编号G01B11/02GK201104239SQ20072004654
公开日2008年8月20日 申请日期2007年10月26日 优先权日2007年10月26日
发明者吴剑锋, 李建清, 林保平 申请人:东南大学