基于激光数字散斑干涉定位的多点应变测量装置的制作方法

本申请涉及应变检测技术领域，尤其是对物体进行应变检测时检测装置基准位姿的定位技术，具体涉及一种基于激光数字散斑干涉定位的多点应变测量装置。

背景技术：

应变检测技术经历了长期发展，已广泛应用于机械、建筑、铁路、航空航天等各种工程结构的应力分析中。钢结构应变测量是工程人员进行结构设计优化，了解结构受力状态以及保证结构安全的一个非常重要环节。如何能准确地测量出结构应变,是每一个工程技术人员十分关心的问题。

近年来，随着应变检测技术的不断发展，单点测量方法、测量精度和测量范围等都在不断提高，但是，针对建筑钢结构领域的多点应变检测技术一直处于相对滞后，仍普遍使用电阻应变片(以下简称应变片)来完成多点应变测量，无法为研究结构设计提供更加准确、有效的信息，一直是阻碍钢结构试验技术进步的主要原因之一。钢结构应变测量不同于一般测量，必须掌握沿结构多点(关键节点)应变分布情况，特别是了解结构危险截面处的应力多点分布及最大应力值，它对于建立强度计算理论或验证设计是否合理，计算方法是否正确都关系到建筑结构的安全，因此本专利应用具有非常重要的意义。

由于应变片具有质量轻、安装方便、价格便宜，目前仍在钢结构载荷试验中广泛采用。但是，应变片温度系数大、应变测量方向单一(实际结构载荷后发生应变的方向是不确定的)、非线性严重、一致性差、输出信号微弱和抗干扰能力差等缺点，使得该方法测量误差大、效果也不理想。

随着数字相机和计算机技术的快速发展，光学数字图像相关技术被证明是应变分析有效的技术手段，其测量精度、范围和全场测量等技术都达到了一定水平。而作为钢结构应变测量，必须获取沿结构的多点应变分布情况(需要多点应变测量)，为研究结构设计提供更加准确、有效的信息。目前激光散斑检测只能用于单点应变测量，而将单点测量简单用于多点钢结构测量时，主要有以下缺点和问题：

1、根据测量点数必须配置多套单点激光应变检测设备，每个设备测量一个点，且多个设备之间还无法实现互联，通常测量点数均为10个以上使得购置成本巨大。

2、多套设备中的相机、镜头、光路部件和激光光源等均有差异，直接影响测量一致性，设备的设置、调整和维护工作量较大。

3、每个点的空间测量位置和姿态不尽相同，每套设备的架设机构各异且需要烦琐的人工调节，一旦测量位姿改变架设机构调整非常不便。

4、测量设备占用空间大，当小区域范围内有多个被测点时，因空间限制导致测量设备安装相互冲突，则其中一个或多个点无法实施应变检测。

5、由于相机等设备为固定安装，当出现被测结构位置或姿态有较大改变时，无法实现跟踪测量空间位姿变化数据等重要信息。

6、由于上述原因，目前多点应变检测中仍广泛使用应变片，其缺点是测量温度系数大、应变测量方向单一、非线性严重、输出信号微弱和抗干扰能力差等。

上述问题多年来一直未得到有效地改善。因此，改变多点应变测量技术的落后面貌，使测量技术更加科学化、智慧化、自动化和精准化对建筑钢结构技术进步具有重要的意义。

不同于简单的物体表面应变测量，钢结构应变测量必须获取沿结构的多点应变分布情况。目前普遍使用应变片法，测量时将应变片贴在测试点表面，其引线连接到应变测量仪上，由于应变片自身的缺点使得测量精度、范围、方向和一致性都不尽人意。近年来基于激光散斑应变测量方法已逐步开始应用，其测量精度、范围、全场性和一致性都取得良好的效果，但是由于上述原因仍不能应用于多点应变测量，因此，多点高精度应变测量一直是钢结构试验中亟待解决的关键技术问题。

技术实现要素：

本申请目的是：针对上述问题，本申请提供一种基于激光数字散斑干涉定位的多点应变测量装置和方法，其能够精确完成对物体表面的多点应变检测。

本申请的技术方案是：

一种基于激光数字散斑干涉定位的多点应变测量装置，其特征在于，包括：

机械臂，

纳米调整平台，其安装于所述机械臂上、以通过所述机械臂带动其移动；

激光散斑应变检测设备，所述激光散斑应变检测设备包括：用于向被测点发射检测光束的第一激光发生单元、与所述第一激光发生单元相对应的测量相机、用于向下述定位靶发射定位光束的第二激光发生单元、与所述第二激光发生单元相对应的定位相机，所述第一激光发生单元和所述第二激光发生单元末端的出光元件以及所述测量相机和所述定位相机均固定于所述纳米调整平台上；

与所述定位相机相对应的、具有漫反射靶面的所述定位靶；以及

与所述机械臂、纳米调整平台和激光散斑应变检测设备均电路连接的计算机。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述机械臂活动连接于直线导轨上、并由伺服电机驱动所述机械臂沿所述直线导轨直线移动，所述伺服电机包括与所述计算机电路连接的伺服电机驱动器。

所述纳米调整平台包括：

可沿X轴、Y轴、Z轴平移移动纳米平移台，以及

设置于所述纳米平移台上并能够围绕A轴、B轴、C轴转动的纳米旋转台，所述A轴、B轴、C轴相互垂直布置；

所述激光散斑应变检测设备设置于所述纳米旋转台上。

所述A轴与所述X轴同向延伸设置，所述B轴与所述X轴同向延伸设置，所述C轴与所述Z轴同向延伸设置。

所述第一激光发生单元和所述第二激光发生单元均分别包括沿光路方向依次布置的：

激光发生器，

光纤，

光纤准直器，

小孔光阑，以及

扩束镜。

所述定位靶的所述漫反射靶面上设置有沿圆周方向均匀布置的三个镜面，所述三个镜面处于同一平面内，所述定位相机处固定设置有与所述三个镜面分别对应的三个激光位移传感器。

所述定位靶的所述漫反射靶面刻制有圆的“O”形图案以及位于所述“O”形图案中心处的“十”字形图案。

所述定位靶共设置有至少两个。

本申请的优点是：

本申请巧妙将激光散斑的“微测量“与纳米平台的“微移动“相结合，采用散斑“面域”位姿测量方法，精准地还原了应变检测装置与靶面的空间位姿关系，使其每次准确重复定位到同一位姿，进而(通过测量相机)实现了激光散斑多点应变测量，全面提升多点应变测量技术水平、精度、范围、全场性和一致性。可根据CAD设计图中被测点位姿自动激光散斑应变检测设备，使其位姿调整灵活方便。应变检测装置占用空间小，即可实现小范围的多点应变测量，也可完成大范围的多点应变测量。多点应变测量装置不仅能够测量应变信息，还可以获取变形后空间扭曲姿态和位置等信息，构成一个空间多点跟踪式钢结构测量分析系统，为结构分析提供了更加精准和充分的信息，本申请具有很高的实用价值和经济效益。

附图说明

下面结合附图及实施例对本申请作进一步描述：

图1为本申请实施例中多点应变测量装置的整体结构示意图；

图2为本申请实施例中激光散斑应变检测设备的整体结构示意图；

图3为本申请实施例中多点应变测量装置的原理图；

图4为本申请实施例中定位靶靶面的结构示意图；

图5为本申请实施例中定位靶靶面上四个子区域的结构示意图；

图6为本申请实施例中对钢结构件进行多点应变测量的演示图；

图7为面内两子区域干涉条纹变化图；

其中：1-机械臂，101-机械臂运动控制器，2-纳米调整平台，201-纳米平移台，202-纳米旋转台，3-测量相机，4-定位相机，5-定位靶，6-计算机，7-直线导轨，8-伺服电机，9-激光发生器，10-光纤，11-光纤准直器，12-小孔光阑，13-扩束镜，14-镜面，15-激光位移传感器，16-被测点。

具体实施方式

图1示出了本申请这种基于激光数字散斑干涉定位的多点应变测量装置的一个具体实施例，其主要包括直线导轨7、伺服电机8、机械臂1、激光散斑应变检测设备、定位靶5和计算机6等结构。其中：

机械臂1活动连接于直线导轨7上，其能够沿直线导轨7前后移动。该机械臂1配置有机械臂运动控制器101，以用于控制该机械臂1的动作。直线导轨7的作用在于增加机械臂1的运动范围，进而增加激光散斑应变检测设备的检测范围。

伺服电机8通过丝杆机构与机械臂1传动连接，以用于驱动机械臂1沿直线导轨7前后移动。伺服电机8还配置有伺服电机驱动器，以借助该伺服电机驱动器控制伺服电机8的运行。

纳米调整平台2安装在机械臂1上，当机械臂1动作时可带动纳米调整平台2同步移动。

具体地，上述纳米调整平台2包括纳米平移台201和纳米旋转台202。其中纳米平移台201可沿X轴、Y轴、Z轴三方向平移移动，而纳米旋转台202设置于纳米平移台201上，并且纳米旋转台202能够围绕A轴、B轴、C轴转动。与前述X轴、Y轴、Z轴相同，A轴、B轴、C轴也相互垂直布置。而激光散斑应变检测设备具体安装在纳米旋转台202上，这样就可以借助纳米调整平台2的运动，而使得激光散斑应变检测设备既能够沿X轴、Y轴、Z轴平移，又能够围绕X轴、Y轴、Z轴转动，如此保证激光散斑应变检测设备能够处于任一三维姿态。

本实施例所说的X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴、C轴，均为直线轴。而且A轴与X轴同向延伸设置(即二者相互平行布置)，B轴与Y轴同向延伸设置，C轴与Z轴同向延伸设置。

定位靶5的表面呈微颗粒状结构，即定位靶5具有表面粗糙的漫反射靶面。

激光散斑应变检测设备的至少一部分元器件(比如下述的测量相机、光线准直器等)安装在纳米调整平台2上，当机械臂1带动纳米调整平台2移动时，设于该纳米调整平台2上的激光散斑应变检测设备的相应元器件也会跟随移动。显然，纳米调整平台2自身也可以进行微量移动，从而带动其上的激光散斑应变检测设备的相应元器件微调移动，目的在于让激光散斑应变检测设备能够精准对位而获得精确的应变检测值。

计算机6作为上位机与上述伺服电机8(具体为该伺服电机的伺服电机驱动器)、机械臂1(具体为该机械臂的械臂运动控制器101)、激光散斑应变检测设备均电路连接，以控制各个单元的运行。

与传统激光散斑应变检测设备相同的是，本实施例的激光散斑应变检测设备也包括用于向被测点(即被测物体表面的应变检测点)发射检测光束的第一激光发生单元以及与前述第一激光发生单元相对应的测量相机3。实际应用时，第一激光发生单元向被测物体表面的应变检测点(即前述被测点)发射激光束，表面粗糙的(需要对其进行表面粗糙处理)应变检测点会将该激光束散射呈无数相干子波，这些子波相互干涉而在测量相机3中呈现出被测点的第一张散斑图(当然该散斑图也可转移至上述计算机6中显示出来)；一段时间后(对被测物进行加载或者被测物发生温度变形后)，当第一激光发生单元再次向被测物体表面的应变检测点发射相同的激光束，该激光束散射后在测量相机3中呈现出被测点的第二张散斑图。一旦前述被测点发生了应变，第一张散斑图和第二张散斑图必然具有不同的图案。通过相关计算而可在计算机6中呈现出不同图案的第一张散斑图和第二张散斑图所对应的干涉条纹图，该干涉条纹图表征了被测点发生的应变大小和应变方向，再通过计算便可得出被测点的应变大小和应变方向。此所谓“激光散斑干涉应变测量技术”。

不难看出，该装置可借助上述机械臂1和纳米调整平台2带动激光散斑应变检测设备尤其是测量相机3移动至不同的位置，从而获取被测物体表面不同被测点(多个被测点)的散斑图以及与散斑图对应的干涉条纹图，进而分析物体表面多个被测点的应变情况。也就说是，只是用一台该装置，便可实现对被测物的多点应变测量。

通过本申请背景技术的介绍，我们已经知晓，多点应变测量的关键是确保应变检测装置的重定位精度，而本实施例满足这一要求：

与传统激光散斑应变检测设备所不同的是，本实施例的传统激光散斑应变检测设备还配置有用于向上述定位靶5发射定位光束的第二激光发生单元以及与第二激光发生单元相对应的定位相机4。前述第一激光发生单元和第二激光发生单元末端的出光元件以及测量相机4和定位相机6均固定于纳米调整平台2上，这样，第一激光发生单元末端的出光元件、第二激光发生单元末端的出光元件、定位相机4与测量相机3四者的相对位置完全固定。其目的在于对同一个检测点前后进行应变测量时，保证前述四者处于同一位姿，如此保证应变测量的准确性。具体分析如下：

当上述测量相机3采集被测物体(通常为钢结构物体)上某个被测点的散斑图时，让定位相机4和第二激光发生单元刚好对准上述定位靶5的漫反射靶面。与上述“激光散斑干涉应变测量技术”的原理相同：第二激光发生单元射向定位靶5粗糙的漫反射靶面时，靶面会散射无数相干子波，这些散射子波相互干涉形成在特定截面上(即定位相机4)的散斑图。由于散斑图具有高度的随机性，即空间中任意两处的散斑图都是不同的，定位相机4采集的散斑图决定了靶面与定位相机4也即激光散斑应变检测设备之间的唯一相对位置关系(靶面不动，如果前后两次拍到的散斑图完全一致，则激光散斑应变检测设备前后位置相同)。并且如果前后两张散斑图中局部区域上各点的位移和方向都相同，则在傅立叶变换平面上出现的是相同间隔和相同取向的干涉条纹的叠加(以下简称干涉条纹图)，利用干涉条纹图可对前后散斑图局部区域位置关系进行量化，然后借助机械臂1和纳米调整平台2控制定位相机4也即激光散斑应变检测设备定向移动(包括平移和转动，其中机械臂1用于粗条，而纳米调整平台2用于细调，一般该阶段仅有纳米调整平台2运动，而机械臂1不运动)，直至前述干涉条纹图消失(干涉条纹图的条纹数量逐渐减少，并最终完全消失；而非因为大的检测误差而导致的干涉条纹图突然消失)，表明定位相机4前后位姿(位置和姿态)完全一致，而测量相机3与定位相机4相对位置固定，故而也表面激光散斑应变检测设备前后位姿(位置和姿态)完全一致，此时再用测量相机3获取相应被测点的散斑图以及前后两张散斑图对应的干涉条纹图，便可精确获知该被测点前后应变情况。

为了配合该装置的多点应变测量，需要配置多个上述结构的定位靶5。一个定位靶5对应一个被测点。每个被测点附近布置一个定位靶5，被测点和定位靶5的间距等于测量相机3与定位相机4的距离，尽量保证定位靶5的靶面与被测区域基本平行。一旦定位靶5的位姿被确定，那么其在整个测量过程中的位姿必须保持不变。

并且，本实施例中，上述定位靶5基本呈圆形，其漫反射靶面上刻制有圆的“O”形图案以及位于”O”形图案中心处的“十”字形图案，“O”形图案环绕定位靶5漫反射靶面的外缘边布置。而且在定位靶5的漫反射靶面上设置有沿上述”O”形图案的圆周方向均匀布置的三个很小的镜面14，而上述定位相机4处固定设置有与这三个镜面分别对应的三个激光位移传感器15(简称测位仪)。其目的获取定位靶5散斑图时，保证定位相机4的镜头与定位靶靶面平行，确保定位相机4和测量相机3的镜头面与初始时镜头面处于一个平面内，消除离面位移(Y轴)偏差和离面转动(绕A、C轴)偏差；即镜头面与初始时位于同一平面内)，以方便测量。具体介绍如下：

本装置重定位关键技术，首先，巧妙利用激光散斑图的唯一性，决定了靶面与应变检测装置空间“关系”的唯一性；其次，激光散斑干涉测量精度高；第三，散斑干涉条纹图是对两个不同散斑图相互关系的定量化解析，为应变检测装置微位移与微姿态调整指明方向和大小；第四，根据第三步，通过纳米平台调整应变检测装置微位姿，自动反复趋近并最终让应变检测装置与靶面的相对位姿与初始位姿完全一致。这种新型“单方向”散斑面域位姿测量方法更科学、更准确。

本实施例巧妙将“散斑图”面域(面区域而非细光束点)作为空间定位测量工具，精准地还原了激光散斑应变检测设备与靶面的空间关系，从而确保了重复定位精度。实际测量时定位靶被固定在待测位置附近。为了描述和计算方便将靶面初始姿态为竖直并垂直于Y轴，即在XOZ平面内，调整好定位相机4也即激光散斑应变检测设备与定位靶靶面的相对位置，将定位相机4处的三个测位仪分别对准三个镜面14，位移测量值调整为相同，此时定位相机4的镜头面与靶面平行。当机械臂带动其上的激光散斑应变检测设备再次移动到被测点重定位时，根据三个测位仪测量值自动调整纳米平台，使定位相机4的镜头面与初始时镜头面处于一个平面内，消除了离面位移(Y轴)偏差和离面转动(绕A、C轴)偏差。

上述第一激光发生单元和第二激光发生单元采用分体式结构，二者均分别包括沿着光路方向依次布置的：激光发生器9，光纤10，光纤准直器11，小孔光阑12以及扩束镜13。而前述光纤准直器11、小孔光阑12和扩束镜13即为上面所说的第一激光发生单元和第二激光发生单元末端的出光元件，光纤准直器11、小孔光阑12和扩束镜13固定在纳米调整平台2。激光发生器9主要由驱动电源和激光头构成。

为便于读者整体理解本装置的工作原理，再参照图1至图7所示，现将本实施例这种应变测量装置的测量过程整体介绍如下：

实际使用时，在每个被测点一侧附近安装定位靶5，定位靶5和被测点的间距基本等于测量相机3和定位相机4之间的距离，使定位靶5的靶面与被测区域基本平行，定位靶5作为定位参考面固定在一独立静止物体上(不在被测构件上)。调节纳米调整平台使XYZ三个平移轴的交点以及ABC三个旋转轴的交点均正对着定位靶5和被测点的中间位置。

激光散斑应变检测设备的测量相机3、定位相机4、激光发生单元等光学部件已固定。测量时输入被测点位置、姿态。通过直线导轨7和机械臂1将激光散斑应变检测设备移动到待测位置，经手动调整控制机械臂1，使定位相机4的镜头轴线与第二激光发生单元的激光光路轴线交点位置为定位靶5的靶面中心其中定位相机4的镜头轴线垂直靶面；使测量相机3的镜头轴线与第一激光发生单元的激光光路轴线交点位置为被测区域(被测点)中心，其中镜头轴线垂直被测区域。三个测位仪发出的细激光束对准定位靶上的三个镜面14，通过调节纳米调整平台使三个测量值相同，既定位相机的镜头面与靶面平行。记录被测点此时机械臂和纳米调整平台的初始位姿信息，检查靶面散斑图和被测点散斑图拍摄质量。按上述方法依次对所有被测点操作一遍。

为了便于描述以图6常用基本钢结构件为例，当未从上方施加载荷前，计算机将机械臂1从启始点到被测点M1的移动轨迹发送给机器臂控制器101，它控制直线导轨和机械臂按设定轨迹将激光散斑应变检测设备移动到被测点M1前方，拍摄初始靶面散斑图和被测点M1的初始散斑图。按上述方法利用机械臂1将激光散斑应变检测设备依次分别按设定轨迹移动至被测点M2、M3、M4(为了描述方便仅取4个关键节点说明)，并拍摄初始靶面散斑图和被测点初始散斑图，全部测量结束后机械臂1返回启始点。

增加一定载荷后，计算机6再次控制机械臂1从启始点到被测点M1的移动轨迹发送给机器臂控制器，它控制直线导轨和机械臂按设定轨迹将激光散斑应变检测设备移动到被测点M1前方，但此时必须进行重定位修正后才能进行应变测量，多点应变测量方法分为以下四步：

第一步为图形粗定位。通过当前图像中“十”字和“O”形图案的位置、形状和大小，分别与初始靶面图进行对比，如果精度已满足要求直接进入下一步，否则通过自动调节纳米调整平台三维坐标和三轴旋转，使图像中“十”字和圆环图案所处的位置、形状及大小与初始靶面图中一致，此时应变检测装置定位精度在±10微米左右。

第二步为离面位移和离面旋转精定位。判断三个测位仪的测量值是否与初始值相同，如果满足要求(相同)直接进入下一步，否则根据三个测量值之间的偏差关系，自动调整纳米调整平台的Y轴平移及绕A、C轴旋转，使三个测位仪的测量值与初始值完全相同，此时定位相机4和测量相机3的镜头面与初始时位于同一平面内。另外，本实施例为了确保离面定位的精确，采用数字散班图像相关原理对上述处理结果予以验证，验证方法如下：选取当前散斑图像子区域(如R1和R2)，通过相关计算得到子区域在初始散斑图中的相关系数，如果相关系数大于0.85，则说明本次离面定位有效，定位结果正确则转入第三步，否则重新返回第一步。

第三步为面内位移和面内旋转精定位。在定位靶靶面的散斑图上选取四个子区域(R1、R2、R3、R4，如图5)，通过对当前散斑图与初始散斑图中对应子区域进行求差、傅立叶变换和各种方向滤波等计算处理后，可得到各子区域的干涉条纹图。根据四个子区域的条纹方向的一致性可以判断是否存在面内旋转偏差(垂直于靶面的B轴)，如果不一致则通过纳米调整平台2的旋转来消除.如果上述四个干涉条纹方向一致，则(暂且)仅有面内位移了，此时X轴和Z轴两个方向位移偏差都可能存在，所以条纹的取向为二者合成的矢量方向。此时需要根据干涉条纹矢量计算出每个轴(X轴和Z轴)的位移(Y轴已经借助上述三个镜面14和激光位移传感器15进行了对位)，进而调整两个方向纳米平台的移动，使反映偏差的散斑条纹数不断地减少(表示散斑图的面内位移不断减少。而前述“暂且”的表述解释如下：如果面内位移较大，且面内旋转很小(则条纹方向“暂且”基本一致)，则当在面内位移减少到很小时，条纹方向的不一致才会显现，此时又需要调整纳米平台的旋转来消除面内旋转，直至为零(两个空间散斑图完全重合)，即应变检测装置镜头面与靶面的相对位姿与初始时完全一致。面内旋转和位移调整可能是交替进行的，两子区域随纳米平台调整干涉条纹变化见图7。通过激光数字散斑测量方法可以将重复定位分辨率小于激光波长的二分之一，约0.3微米(减少激光长(如绿激光)还可提高精度)，从而确保了重复定位精度。保证了对受力构件激光散斑应变测量需要。

第四步为应变测量。应变检测装置定位完成后，测量相机3拍摄结构加载后的被测区域(即被测点)的激光散斑图，与被测点加载前初始散斑图进行图像求差、傅立叶变换和高斯滤波等相关图像处理和计算，求出该区域(被测点)的应变值。

每个被测点测量完成后可自动将纳米调整平台返回初始位置，返回时同样采用激光散斑闭环定位方法，即确保纳米调整平台到达初始位置时所拍得散斑图与开始调整离开时的散斑图一致既二者之间的干涉条纹数减少为零。然后由直线导轨和机械臂根据设定轨迹将应变检测装置从被测点M1移动到被测点M2，同样先进行重定位修正，再完成应变测量；按上述方法将应变检测装置依次移动到被测点M3、M4实施测量(钢结构应变测量为稳态测量)；4个点测量完成后机械臂返回启始点。逐渐增加载荷力，再次循环对所有4个点分别实施应变测量。

当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。