一种测量物体转动角度的系统的制作方法

本实用新型属于测量技术领域，具体为一种测量物体转动角度的系统。

背景技术：

精密角度测量是几何量测量的一个重要项目，也是计量科学中发展较为完备的一个分支，在过去的20年中，角度测量的精度也提高了10倍多。角度测量技术分为静态测量和动态测量两种，某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，一些动态测角技术可以实现静态测量。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。随着测控技术的发展，系统要求的测控精度越来越高。然而，角度测量仍然存在各种各样的问题，主要有：精度不够高或只能在小角度测量时得到高精度，精度提高使产品尺寸和重量过大，全周界绝对角度测量装置的测量精度不高，小型化方面存在技术困难，动态范围小，对关键元件要求苛刻，对环境要求高，可靠性低，不易实现与其它仪器融合等等。

技术实现要素：

本实用新型提出一种测量物体转动角度的系统，用于探测物体发生转动的角度大小。

本实用新型目的通过以下技术方案来实现：

一种测量物体转动角度的系统，所述系统包括ccd相机，微结构高分子薄膜，待测物体以及与ccd相机连接的显示器，所述微结构高分子薄膜贴于待测物体表面，所述微结构高分子薄膜朝着放置ccd相机的方向。

动态显示薄膜是21世界初提出的基于微透镜阵列的动态显示技术。由于微透镜阵列可以对不同的视角进行显示，因此，可以观察到图形随着视角变化而发生动态位移。然而，目前该技术仅仅应用在了商品包装与防伪领域。本申请基于这种技术，在测得毫米量级的位移大小时，反过来得出其角度的变化。正是由于这种位移与角度一一对应的关系，该方法获得的微结构高分子薄膜可以与物体搭配，从而计算出物体的转动角度大小。

本申请系统中，微结构高分子薄膜是用于物体转角测量的关键元件。所述的微结构高分子薄膜是一种光学薄膜，其显示的图形(点、圆环、十字)可以随着ccd相机采集视角的变化而发生移动。相应的，当该薄膜发生一定角度的转动时，固定的ccd相机会采集到发生了一定位移的图形，该位移可以通过ccd相机采集标定，并传递给显示器，通过显示器获得薄膜的移动大小。通过理论分析，可以得到ccd相机采集到的位移与薄膜转角的参数关系，利用相应的函数关系，可以通过直接测量图形位移来得到薄膜的转角大小。

所用的ccd相机是电荷耦合器件(chargecoupleddevice)，也可以称为ccd图像传感器，它能够将光线变为电荷并将电荷储存及转移，把光信号转换为数字信号。ccd相机在本申请系统中的作用是进行图形位移大小的采集，现有技术中任何型号的ccd相机均能满足该测量系统的要求。显示器的作用是将ccd相机采集标定的位移进行显示，并测量得到位移的大小。

待测物体可以具有任意面形，但由于需要贴合微结构高分子薄膜，因此需要其至少有一面是平面，用于放置微结构高分子薄膜。待测物体的成份、尺寸均无限制。

进一步，所述ccd相机与微结构高分子薄膜的间距为10～30cm。具体数值由所选用的ccd和镜头放大倍数决定，设置在该范围内可以节省该测量系统所占的空间。

进一步，所述微结构高分子薄膜包括微透镜阵列层、高分子薄膜层和微图形阵列层，微透镜阵列层和微图形阵列层分别设置于高分子薄膜层的两个表面。

进一步，所述微结构高分子薄膜从上至下依次包括微透镜阵列层、高分子薄膜层和微图形阵列层，微透镜阵列层和微图形阵列层分别设置于高分子薄膜层的上下表面。

进一步，所述微透镜阵列与所述微图形阵列的排布方式相同，均为四边形排布或六边形排布。

进一步，所述微透镜阵列与所述微图形阵列的周期不同。

进一步，所述微透镜阵列与所述微图形阵列在其周期排布方向上的夹角为0。

进一步，所述高分子薄膜层等于微透镜阵列的焦距。

进一步，所述高分子薄膜层为pet、pvc、pmma中的一种。

本实用新型微结构高分子薄膜的形成及制备方法可以采用本领域常规的技术，只要能实现本实用新型限定的微结构高分子薄膜的结构即可，微透镜阵列层，高分子薄膜层以及微图形阵列层的制备，组合都采用本领域常规的制备技术即可。

本实用新型系统对待测物体转动角度的测量过程如下：

a、将微结构高分子薄膜贴在待测物体的一个平面上，并将待测物体置于水平面上，贴有薄膜的一端朝着ccd相机；

2、ccd相机放置在离物体10～30cm的位置，镜头朝向贴有薄膜的物体的一面；

3、通过显示器，对探测得到的位于ccd相机中心位置的图形进行标定，得到测量起点a(x1，y1)；

4、将物体朝任意方向转动一个角度θ，透过显示器可以看到待测物体发生了移动，标定的位置与ccd的中心不再重合，对图形的新的位置进行标定，得到测量终点b(x2，y2)；

5、通过显示器测量并计算出图形发生的位移，即测量起点和测量终点之间的大小

其中m为ccd相机镜头清晰显示时的放大倍数，v为像素大小；

6、结合微结构高分子薄膜的参数，计算出待测物体的转动角度(转角)θ。

图形产生的位移大小l与物体转动角度θ之间的关系为：

式(1)参考文献：huangp,hec.w.,fanb,etal.propertiesofdynamicimagedisplacementsbasedonmicrostructure.appl.opt.201857(28):8187.中的公式(5)。

上式(1)中，h为高分子薄膜层的厚度，d为微图形阵列的周期，t为所显示的图形的周期，t的计算如下式(2)：

t＝d×d/|d-d|式(2)

上式(2)中，d为微透镜阵列的周期，d为微图形阵列的周期，且d≠d。

通过式(1)推到出物体转动角度θ的计算公式：

微透镜阵列与微图形阵列的重叠可以实现动态的图形显示，其作为一种新型显示技术，被视为未来最有前景的测量手段。其原理是在不同的视角观察，微透镜阵列会对其对应的微图形阵列进行采集和放大。由于采集的视角不同，所显示的图形位置也会发生变化。本实用新型利用上述原理，提出一种测量物体转动角度的系统，间接测量物体的微转动角度。由于物体的转动会引起动态图形的位移，因此，可以通过测量宏观可测的位移量，再转化为最终需要的转角量。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本发明通过设计微透镜阵列和微图形阵列的微结构参数，确定了其与显示图形转角的关系。通过在高分子薄膜的上下表面分别制备微透镜阵列和微图形阵列，从而获得该测量系统的核心元件微结构高分子薄膜，将该材料与待测物体表面贴合，其表面的图形可以通过ccd相机探测。当物体发生转动时，通过ccd相机探测图形的位移，结合微结构高分子薄膜的结构参数，可以得到物体发生转动的角度大小。

附图说明

图1为微结构高分子薄膜示意图；

图2为测量物体转动角度系统的结构示意图；

图3为实施例1中待测物体转动前显示器显示的标定起点；

图4为实施例1中待测物体转动θ角后显示器显示的标定点；

图5为实施例2中待测物体转动前显示器显示的标定点位置；

图6为实施例2中待测物体转动θ角后显示器显示的标定点位置；

附图标记：1-qm-h1400wccd相机，2-微结构高分子薄膜，3-待测物体，4-承物台，5-显示器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实施例微结构高分子薄膜从上到下依次包括微透镜阵列层，高分子薄膜层和微图形阵列层。微透镜阵列的周期d＝50微米，排布方式为正方形排布；微图形阵列的单元图形为十字阵列，微图形阵列的周期为d＝50.5微米，排布为正方形排布，其排列的横纵方向与微透镜的横纵方向相同；高分子薄膜为pet薄膜，薄膜厚度为h＝50微米，等于微透镜阵列焦距。本实施例微结构高分子薄膜的具体制备方法采用本领域的常规技术，只要是能实现本实施例的上述结构即可，微结构高分子薄膜如图1所示。

微透镜阵列所显示的图形的周期t＝d×d/|d-d|＝50×50.5/|50-50.5|＝5050微米。

利用本实施例微结构高分子薄膜对待测物体转角进行测量的系统，如图2所示(其中夹持结构并未画出)，包括ccd相机，本实施例中所用型号为qm-h1400w，镜头放大倍率为0.7-4.5，分辨率为1400万，像素尺寸1.43μm×1.43μm，微结构高分子薄膜，待测物体以及与ccd相机连接的显示器，所述微结构高分子薄膜贴于待测物体上表面，令该面向上并对着ccd相机镜头。

利用本实施例微结构高分子薄膜对待测物体转角进行测量的过程如下：

1、将微结构高分子薄膜贴在待测物体的上表面，并将待测物体置于水平面上，贴有薄膜的一端朝着ccd镜头。

2、ccd放置在离物体20cm的水平面上，镜头朝向贴有薄膜的待测物体的一面。

3、通过显示器，对探测得到的位于ccd相机中心位置的图形进行标定。具体地，当所显示的动态图形的单元图形即设计的正中心的单元十字的中心位于显示器上显示的位置(405，200)时，将该中心标定为测量起点a，如图3所示。

4、将待测物体朝任意方向转动一个角度θ，透过ccd可以看到待测物体发生了移动，标定十字中心也发生了移动，与之前标定的起点不再重合，变为测量终点b(1322，214)，如图4所示。

5、图形发生的位移大小l可以通过计算坐标差值和镜头放大倍数来获得，即：

其中m为ccd镜头清晰显示时的放大倍数，v为像素大小。本实施例中，m＝1，v＝1.43μm，l的值为1.311mm。

6、利用公式3即可以得到待测物体转动的角度大小为14.84°。

实施例2

本实施例微结构高分子薄膜从上到下依次包括微透镜阵列层，高分子薄膜层和微图形阵列层。微透镜阵列的周期d＝86.6微米，排布方式为六边形排布；微图形阵列点阵列，微图形阵列的周期为d＝87.7微米，排布为六边形排布；高分子薄膜为pet薄膜，薄膜厚度为h＝100微米，等于微透镜阵列焦距。本实施例微结构高分子薄膜的具体制备方法采用本领域的常规技术，只要是能实现本实施例的上述结构即可。

根据公式2，微透镜阵列所显示的图形的周期t：

t＝d×d/|d-d|＝86.6×87.7/|87.7-86.6|＝6909微米。

以同样的方式，利用本实施例微结构高分子薄膜对待测物体转角进行测量的系统，包括ccd相机，本实施例中所用型号为qm-h1400w，镜头放大倍率为0.7-4.5，分辨率为1400万，像素尺寸1.43μm×1.43μm，微结构高分子薄膜，该高分子薄膜显示的图形由十字阵列变为了点阵列，待测物体及显示器，所述微结构高分子薄膜贴于待测物体上表面，令该面向上对着ccd镜头。

利用本实施例微结构高分子薄膜对待测物体转角进行测量的过程如下：

1、将微结构高分子薄膜贴在待测物体的上表面，并将待测物体置于水平面上，贴有薄膜的一端朝着ccd镜头。

2、ccd放置在离物体20cm的水平面上，镜头朝向贴有薄膜的待测物体的一面。

3、通过显示器，对探测得到的位于ccd的中心位置的图形进行标定。具体地，当所显示的动态图形的单元图形即设计的正中心的点图形位于显示器上显示的位置(405，206)时，将该中心标定为测量起点a，如图5所示。

4、将待测物体朝任意方向转动一个角度θ。在该步骤中，我们采用了kapro-992型量角度来控制该转动角度的大小为7.0°。透过ccd采集图像可以看到待测物体发生了移动，标定点也发生了移动，与之前标定的起点不再重合，变为测量终点b(421，893)，如图6所示。

5、图形发生的位移大小l可以通过计算坐标差值和镜头放大倍数来获得，即：

其中m为ccd镜头清晰显示时的放大倍数，v为像素大小。该实施例中，m＝1，v＝1.43μm，l的值为0.982mm。

6、利用公式3即可以得到物体转动的角度大小为7.13°，与现有的量角度测得的值7.0°取得的一致的结果。

另外，本实施例转角测量结果的精确度受限于该系统的结构平台制造精度，并且在本实施例中平台搭建时可能存在一些误差，导致并未得到与设定值7°完全一致的结果。通过高精度的机械制造技术，搭建结构误差更小的系统，可以测得更加精确的结果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。