测量刚体位移的非接触式光电系统

　　引　言

　　对物体位移信息的非接触测量,传统的方法多为电子散斑干涉法[1]和三角测量法[2]。电子散斑干涉法测量范围较小、系统价格较贵、数据处理复杂且对环境要求较高,而三角测量法又由于物体表面反射率的变化、物体表面法线的变化、光束细化和阴影问题而给接收系统分辨和调节带来困难,且三角测量法只能测量离面位移。本文首次提出用标定法测量刚体的多维微位移,其方法简单、对设备和环境要求较低,是较接近实用化的一种方法。尤其是新的光电传感器的出现和与计算机结合,无异给这个方法注入了新的活力。本文还从实验上验证了该方法具有简单、快速、高精度和抗干扰强等特点,易实用化。

　　1　测量原理

　　一般的机械式读数装置常有一个指针和一个刻度盘,测量时先把其他量如电量、热量、体积、气压或机械量转化为位移量,再用位移量来带动指针偏转一定的角度,然后读出指针在刻度盘上转动的刻度,通过一定的计算或标定,便可测出这些量。

　　当需要测量远距离(2米左右)的刚体的多维位移,就不能使用机械式指针和一维刻度盘,而用激光束代替指针,用一面型CCD代替二维刻度盘,分别对物体线位移和角位移进行标定。下面分角位移和线位移两种情况来阐述标定法的原理。设物体待测的角位移α,β和线位移x,y(见图1的直角坐标系)。

　　1.1　角度的测量

　　如图1,激光器发出的光束经物体反射,设物体转动α角,则由反射定理可知反射光束旋转2α角,通过成象系统成象在靶面上,用CCD摄下靶面上的象,进行处理。把反射光束比拟成指针,把靶面和CCD成象系统比拟为二维刻度盘。调节好光路系统,当物体转动时,指针随着转动,指针指向靶面上的位置也随着变化,即象点位置发生变化,用CCD摄下靶面上的二维图象,与原先摄下的基准图象进行相关分析,便可得到图象在CCD象敏面上移动的象敏单元数,通过一定的转换便可得到图象在靶面移动的位移x_e,y_e,换算成角度

其中l为2米,为物体到靶面的距离,为测量的放大系数。通过实验得知,物体转动的角度很小。而象点在靶面的位移很大,故分辨率较大,但由于CCD的视场角有一定的限制,故测量范围受到一定的限制。另一种可行的方法是直接把激光器固定在物体上,因此物体的信息直接加在激光器上,即直接加在指针上。此时,当物体在X方向转动α角度时,指针便在相同的方向转动相同的α角,角度转换公式为

　　这种方法还可以通过改变指针的方向而测量在不同的方向的旋转角度,如测量Z方向的旋转角位移γ时,由于不便在物体上方或下方放DIPS装置(会对原系统发生干扰),故通过改变指针方向(即弯曲指针)来测量γ角。