一种集成共焦法与三角法的位移测量方法

摘要

本发明公开了一种集成共焦法与三角法的位移测量方法。现有位移测量方式存在精度与量程之间的矛盾。本发明在激光共焦位移传感器探头一侧安装聚焦透镜及位置敏感元件，测量时激光共焦位移传感器进行高精度测量，获取测量值，同时三角法位移测量系统也对激光入射点进行测量，测量数据辅助判断被测点是否在激光共焦位移传感器的量程范围内，若共焦位移传感器超量程，则三角法位移测量系统获取当前测量点的位置值，然后利用该位置值引导三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴方向移动，使测头装置回到激光共焦位移传感器的量程范围内，然后继续测量。本发明能够在保证高精度测量的条件下，同时实现对激光共焦位移传感器量程的扩展。

说明书

技术领域

本发明属于基于光学测量的非接触式位移测量领域，特别涉及一种集成共焦法与三角法的位移测量方法。

背景技术

共焦法位移测量是一种基于光谱色散分析的非接触式位移测量方法，其原理是：一束白光(或多波长混合光)经过色散物镜后在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测表面处于测量范围内的某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测表面上，该波长的光由于满足共焦条件，其反射光可以进入光谱仪，而其它波长的光，由于在被测表面上处于离焦状态，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，就可以测得目标对应的距离值。

在此基础上，KEYENCE公司开发的产品彩色同轴共焦位移计采用彩色光源来替代传统共焦法位移测量的白色光源，提高了发光的波段宽度，可在范围更广的波段内实现高精度测量。其主要原理是：先将一束蓝色激光照射到能够同时发出红、绿光的荧光体上产生多色光，再通过光纤将多色光传输到探头上；在投光时，多色光中只有某一特定波长的单色光才能在被测点进行聚焦；在受光时，只有在被测物表面聚焦的光才能接收并传输到分光器按波长分解得到对应的测量数据。其采用直上直下的测量方法，可对曲面、凹坑、表面高低起伏不大的各类待测物表面实现高精度测量。

然而，在位移监测领域中，测量精度和量程往往是互相矛盾的。共焦法位移测量的精度虽然较高，但是其量程范围较小，如KEYENCE公司开发的产品：超高精度型位移计 CL-L015/CL-P015，其量程范围为2.6mm；形状测量型位移计CL-PT010，其量程范围为 0.6mm。因此，当被测物表面的形貌复杂且高低起伏较大时，共焦法位移测量将容易导致超量程现象而终止测量。

针对此问题，位移监测领域有三角法位移测量来弥补共焦位移传感器量程小的缺点。三角法位移测量的主要原理是：激光器发出激光经聚焦透镜汇聚到被测物表面后，产生的漫反射光被接收透镜接收，并汇聚到位置敏感元件(如PSD、CMOS、CCD等)形成光斑，根据被测点、接收透镜光心与敏感元件上光斑点三者之间形成的三角形关系可以得到被测点的位移值。但是，与共焦法位移传感器相比，三角法激光位移传感器虽然量程较大，但测量精度较低，在一些需要高精度检测的场合可能无法满足测量要求。

为解决测量精度与量程之间的矛盾，目前常用的方法是分别用大量程、高精度的传感器进行重复测量，如：先用大量程的传感器进行一次测量，然后用一次测量的数据来引导高精度的传感器进行二次测量。此类测量方法在一定程度上能够解决量程与精度这一矛盾，但是在应用于生产现场时，一是多次测量降低了生产节拍，无法满足生产现场对测量效率的要求，增加了时间成本；二是分别采用大量程、高精度的传感器，需要分别使用两种传感器，增加了测量成本。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明旨在提供一种集成共焦法与三角法的位移测量方法，通过在激光共焦位移传感器探头一侧安装聚焦透镜及位置敏感元件，使得共焦位移传感器的入射激光与聚焦透镜、位置敏感元件构成一个三角法位移测量系统。测量时通过激光共焦位移传感器来进行高精度测量，获取最终测量值，同时三角法位移测量系统也对激光入射点进行测量，测量数据能够辅助实时判断被测点是否在激光共焦位移传感器的量程范围内(即激光共焦位移传感器是否出现离焦现象)。若共焦位移传感器超量程，则三角法位移测量系统获取当前测量点的位置值，然后利用该位置值引导三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴方向移动，从而调整测头装置在Z坐标轴上的位置，使测头装置回到激光共焦位移传感器的量程范围内，然后继续测量。本发明能够在保证高精度测量的条件下，同时实现对激光共焦位移传感器量程的扩展。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术解决方案：

本发明一种集成共焦法与三角法的位移测量方法，具体如下：

步骤一：构建集成共焦法与三角法的位移测量测头装置；所述的集成共焦法与三角法的位移测量测头装置包括激光共焦位移传感器探头、探头固定夹具二、探头固定夹具一、测头面板、固定座、位置敏感元件、透镜保持架和聚焦透镜；所述的探头固定夹具一与探头固定夹具二固定，并夹紧激光共焦位移传感器探头；探头固定夹具一与测头面板固定。所述的位置敏感元件固定在固定座上，固定座与测头面板固定。所述的聚焦透镜固定在透镜保持架上，透镜保持架与测头面板固定。激光共焦位移传感器探头与激光共焦位移传感器本体的光学单元及控制器连接组成激光共焦位移传感器；激光共焦位移传感器探头所发出的测量光由激光共焦位移传感器本体的光学单元产生，并通过光纤传输到激光共焦位移传感器探头；激光共焦位移传感器探头所发出测量光的中心轴线与聚焦透镜的中心轴线位于同一平面内。位置敏感元件的信号输出端与控制器连接。所述的激光共焦位移传感器、聚焦透镜以及位置敏感元件组成三角法位移测量系统。

步骤二：将测头面板固定在三坐标测量机的Z轴上，并使激光共焦位移传感器探头所发出测量光的中心轴线与三坐标测量机的Z轴平行。

步骤三：在激光共焦位移传感器量程范围内标定位置敏感元件的工作范围s

步骤四：将被测物放置在三坐标测量机平台的测量区域内，并以三坐标测量机的X、 Y、Z坐标轴建立测量坐标系。

步骤五：三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴平移，调整测头面板在Z坐标轴上的位置，使聚焦透镜聚焦被测物表面的漫反射光后，在位置敏感元件上形成的光斑位置点在s

步骤六：三坐标测量机的Z轴沿X或Y坐标轴方向平移，带动激光共焦位移传感器探头对被测物表面进行扫描测量；对待测点i进行测量时，首先获取三角法位移测量系统的输出值，并判断在待测点i处聚焦透镜所聚焦的光斑是否位于范围s

步骤七：重复步骤六的逐点扫描测量过程，直至完成整个被测物表面的扫描测量。

优选地，在激光共焦位移传感器量程范围内标定位置敏感元件工作范围的过程具体如下：

①三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴平移，使激光共焦位移传感器的输出测量值为量程中点值h

②三坐标测量机的Z轴向上移动，使激光共焦位移传感器的输出测量值为量程最大值 h

优选地，三角法位移测量系统的工作范围标定过程具体如下：

①三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴平移，使聚焦透镜聚焦被测物表面的漫反射光后，在位置敏感元件上形成光斑位置点在s

②三坐标测量机的Z轴向上移动，当聚焦透镜聚焦被测物表面的漫反射光，并在位置敏感元件上形成的光斑位于位置敏感元件的工作范围上极限位置点s

优选地，三角法位移测量系统的输出值采用三角法位移测量原理计算得到，计算公式如下：

式中，α为激光共焦位移传感器探头所发出测量光的中心轴线与聚焦透镜的中心轴线之间的夹角；β为位置敏感元件表面与聚焦透镜的中心轴线之间的夹角；l

优选地，当激光共焦位移传感器在待测点近端离焦时，三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴上移的距离Δz满足如下条件：

Δh-(h

优选地，当激光共焦位移传感器在待测点远端离焦时，三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴下移的距离Δz满足如下条件：

Δh-(h

本发明具有的有益效果是：

1.本发明集成共焦法位移测量与三角法位移测量于一体，在实际测量过程中，通过三角法位移测量系统来判断激光共焦位移传感器是否出现超量程现象，根据三角法测量获得数据调整测量装置的Z轴坐标，使激光共焦位移传感器回到共焦测量区域内，从而扩大了激光共焦位移传感器的测量范围，能够实现对具有孔、洞、突变结构的复杂表面进行快速、高精度的非接触式测量。

2.本发明测量原理简单，测量成本较低，且操作方便，适用于高精度、大量程的测量场景。

附图说明

图1是本发明中位移测量测头装置的整体结构立体图；

图2是本发明中探头固定夹具一和探头固定夹具二的装配示意图；

图3是本发明中位移测量测头装置的光路示意图；

图4是本发明所采用的三角法位移测量的原理图；

图5是本发明的工作流程示意图。

图中：1、激光共焦位移传感器探头，2、探头固定夹具二，3、螺钉，4、探头固定夹具一，5、第一螺栓组，6、测头面板，6-1、连接杆，7、固定座，8、第二螺栓组，9、位置敏感元件，10、第三螺栓组，11、透镜保持架，12、聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图4和图5所示，一种集成共焦法与三角法的位移测量方法，具体如下：

步骤一：如图1、2和3所示，构建集成共焦法与三角法的位移测量测头装置；集成共焦法与三角法的位移测量测头装置包括激光共焦位移传感器探头1、探头固定夹具二2、探头固定夹具一4、测头面板6、固定座7、位置敏感元件9、透镜保持架11和聚焦透镜 12；探头固定夹具一4与探头固定夹具二2通过螺钉3连接组成探头固定夹具，并夹紧激光共焦位移传感器探头1；探头固定夹具一4与测头面板6通过第一螺栓组5连接。位置敏感元件9(位置敏感元件9优选线阵CMOS图像传感器或线阵CCD元件)固定在固定座7上，固定座7与测头面板6通过第二螺栓组8连接。聚焦透镜12固定在透镜保持架 11上，透镜保持架11与测头面板6(优选地，测头面板6设有一体成型的连接杆6-1)通过第三螺栓组10连接。激光共焦位移传感器探头1与激光共焦位移传感器本体的光学单元及控制器连接组成激光共焦位移传感器；激光共焦位移传感器探头1所发出的测量光由激光共焦位移传感器本体的光学单元产生，并通过光纤传输到激光共焦位移传感器探头1；激光共焦位移传感器探头1所发出测量光的中心轴线与聚焦透镜12的中心轴线位于同一平面内。聚焦透镜12聚焦被测物表面的漫反射光后能够在位置敏感元件9上形成光斑；位置敏感元件9的信号输出端与控制器相连接。激光共焦位移传感器、聚焦透镜12以及位置敏感元件9组成三角法位移测量系统。

步骤二：将测头面板6固定在三坐标测量机的Z轴上，并使激光共焦位移传感器探头 1所发出测量光的中心轴线与三坐标测量机的Z轴平行。

步骤三：在激光共焦位移传感器量程范围内标定位置敏感元件9的工作范围s

步骤四：将被测物放置在三坐标测量机平台的测量区域内，并以三坐标测量机的X、 Y、Z坐标轴建立测量坐标系。

步骤五：三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴平移，调整测头面板6在Z坐标轴上的位置，使聚焦透镜12聚焦被测物表面的漫反射光后，在位置敏感元件9上形成的光斑位置点在s

步骤六：三坐标测量机的Z轴沿X或Y坐标轴方向平移，带动激光共焦位移传感器探头1对被测物表面进行扫描测量；对待测点i进行测量时，首先获取三角法位移测量系统的输出值，并判断在待测点i处聚焦透镜12所聚焦的光斑是否位于范围s

步骤七：重复步骤六的逐点扫描测量过程，直至完成整个被测物表面的扫描测量。

作为一个优选实施例，在激光共焦位移传感器量程范围内标定位置敏感元件9工作范围的过程具体如下：

①三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴平移，使激光共焦位移传感器的输出测量值为量程中点值h

②三坐标测量机的Z轴向上移动，使激光共焦位移传感器的输出测量值为量程最大值 h

作为一个优选实施例，三角法位移测量系统的工作范围标定过程具体如下：

①三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴平移，使聚焦透镜12聚焦被测物表面的漫反射光后，在位置敏感元件9上形成光斑位置点在s

②三坐标测量机的Z轴向上移动，当聚焦透镜12聚焦被测物表面的漫反射光，并在位置敏感元件9上形成的光斑位于位置敏感元件9的工作范围上极限位置点s

作为一个优选实施例，三角法位移测量系统的输出值采用三角法位移测量原理计算得到，计算公式如下：

式中，α为激光共焦位移传感器探头1所发出测量光的中心轴线与聚焦透镜12的中心轴线之间的夹角；β为位置敏感元件9表面与聚焦透镜12的中心轴线之间的夹角；l

作为一个优选实施例，当激光共焦位移传感器在实时测量点近端离焦时，三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴上移的距离Δz满足如下条件：

Δh-(h

作为一个优选实施例，当激光共焦位移传感器在实时测量点远端离焦时，三坐标测量机的Z轴沿Z坐标轴下移的距离Δz满足如下条件：

Δh-(h