一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法技术

本发明专利技术提出了一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，该方法以图像处理的方式获取位移的方向和大小，并利用硬件设备对位移进行实时跟踪补偿的方式来实现测量。在本发明专利技术中，所述测量方法是基于双光束干涉原理，测量过程是将从参考端和物端干涉形成的图样以图像形式记录在测量系统中，然后通过图像处理技术将位移信息反馈给参考端的精密促动装置，从而达到参考端实时跟踪发生在物端的位移的目标。在图像处理中，基于图像重心和直方图相关的处理算法分别用于判断位移的方向和大小；跟踪过程是通过逐步逼近的方式来实现，当提前标定促动器位移与电压的关系后，可以通过电压值实时计算出位移量。

A method for measuring high precision large range real time single point out of plane displacement

The invention provides a high accuracy and large range of real time single point out of plane displacement measurement method, the method of using image processing methods to obtain the direction and size of displacement, and real-time tracking compensation for displacement by hardware equipment to achieve measurement. In the invention, the measurement method is based on the principle of double beam interference, the process of measurement from the reference end and end of the interference pattern formed in the form of images recorded in the measurement system, and then through the image processing technology of displacement feedback to the reference end precision actuator device, so as to achieve the real-time tracking of reference end displacement in the end the goal. In image processing, image processing algorithms focus and histogram correlation were used to determine the magnitude and direction of displacement based; the tracking process is achieved by gradually approaching the way ahead, when the calibration of actuator displacement and stimulating voltage, can be computed by the displacement voltage.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种高精度大量程实时单点离面位移测量方法，该方法适用于所有基于双光束干涉原理的干涉系统，如迈克尔逊(以下简称“迈氏”)干涉仪、马赫-曾德干涉仪等。可以应用于传统迈氏干涉仪应用场景，例如离面位移检测、液体折射率场检测等，也可以适用于一些对测量实时性有较高要求的应用场景，如监控晶体生长、材料线膨胀系数测量等，是综合光测力学、图像处理和自动控制等多门复合学科知识所提出的一套光学测量方法。
技术介绍
近年来，随着超精密加工、纳米技术和航空航天技术的飞速发展，这些技术革新使得高精度位移测量受到越来越多的重视。通常情况下，人们将高精度位移测量技术分为两类。一类是接触式测量，这包括电测法、机械测量法等，但这类方法需要使用导杆或者探针接触在被测物体表面，这会不同程度的对被测物的状态产生影响，进而引入额外噪声。另一类是非接触式的测量方法，例如光学成像法、激光干涉法等，这类方法通常具有非接触和测量范围较大的特点。但是光学成像法的测量分辨率是微米量级，不能够适应超高精度要求的位移测量中；虽然基于激光干涉的测量法精度高，能达到1/100波长到1/1000波长的分辨率，但其测量量程成为该方法的一大弊端。同时，在全场位移测量方法中，常使用条纹细分技术来提高测量精度，但这些技术操作会给测量方法带来较大的时间开销，使其不能适用于对测量时间要求较高的工作环境。因此，如何提出一个既具有高精度、非接触式测量特点，又能较好克服在激光干涉测量领域里的高测量分辨率与大量程矛盾，且具有良好时间响应的测量方法，还面临着诸多技术难题，目前在国际上尚未见到相关测量方法的报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：为满足上述测量背景，结合到本专利技术所提出的测量方法和迈氏干涉原理，我们搭建了一套基于迈氏干涉的位移测量系统。其具有非接触式、高精度、实时性、可实现较大测量量程的特点。该系统是一套光学测量系统，测量光路是基于迈氏光路干涉原理，通过参考端对发生在物端位移的实时追踪来达到测量的目的。其实施过程需要解决的问题包括：1)搭建迈氏干涉光路；2)搭建图像系统，包括图像采集和基于图像的跟踪算法；3)搭建促动器伺服系统，包括对促动器的控制和促动器自身位移与电压关系的标定；4)编写整套测量系统的控制软件。本专利技术采用的技术方案为：一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，利用图像处理的方式获取位移的方向和大小；以及利用硬件设备根据图像反馈信号对位移进行跟踪补偿；所述图像处理方式是指常用数字图像处理技术，包括灰度等级分析、灰度重心法、直方图对比和/或匹配法；所述硬件设备是指各类高精度位移促动装置，包括压电式、电容式、电感式、步进电机式或人工螺旋式精密设备。更进一步的，所述图像处理方式具体步骤如下：步骤(1)、在位移发生前，需要将干涉图像稳定后的状态记录，并将其作为系统位移前的初始状态；步骤(2)、利用判断位移方向的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该图像算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比判断出干涉条纹的移动方向，从而获知位移方向；步骤(3)、利用预估位移大小的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比预估出干涉条纹的移动量，进而对硬件设备反馈跟踪信号；步骤(4)、硬件设备根据反馈信号做出相应的跟踪响应，直到预估位移大小的图像算法检测到最新的干涉图像与初始状态相同或者非常接近，此时硬件设备跟踪停止。本专利技术另外提供一种基于迈克尔逊激光干涉的单点实时离面位移测量系统，包括激光光源及光路、图像采集及算法处理系统、促动器跟踪系统和控制软件系统；其中，所述激光光源及光路是指产生稳定光源的He-Ne激光发生器和基于迈克尔逊干涉原理搭建的光路；所述图像采集及算法处理系统是指记录激光干涉图样的CCD相机以及监控物端位移发生的图像处理算法，其具体包括位移方向判定和位移大小预估两个部分；位移方向的判定是利用图像重心法并结合“小窗口”技术，位移大小的预估是利用图像直方图相关并结合“小窗口”技术，其中所述的“小窗口”技术是指图像的多方位局部分析技术；所述促动器跟踪系统是指在参考端负责跟踪位移的装置；所述控制软件系统是指测量系统的操控软件，具体包括对CCD相机的控制、图像处理算法的实现、PZT器件的控制和跟踪策略的实现。更进一步的，为了实现系统快速实时的特性，所述控制软件系统的软件功能均是按照windows消息响应机制实现。更进一步的，使用的促动器跟踪系统包括压电陶瓷器件，将压电陶瓷器件紧密与参考端反射镜粘贴，通过电压驱动控制该压电陶瓷器件自由伸缩，从而推动反射镜沿着参考端光轴自由移动。本专利技术的原理在于：基于本专利技术所提出的测量方法，搭建了一套迈氏光学测量系统，具体包括四部分：光源及测量光路、图像系统、促动器跟踪系统、测量系统软件。第一部分：光源及测量光路光源及测量光路主要包括以下部件：He-Ne激光器101、空间滤波器102、凸透镜103、分光镜104。He-Ne激光器是光源发生装置，负责提供稳定的点光源，功率在0～60mW范围内连续调节，出射的激光按照搭建光路进行传播。第二部分：图像系统图像系统主要包括以下部件：偏振片105、CCD相机106。偏振片是用来避免激光过高的功率导致对CCD感光器件的损坏的器件；本专利技术采用的成像器件是德国Basler公司的CCD相机，型号为ACA1600-20GM，水平/垂直分辨率1628*1236pixels，单位像素尺寸4.4μm，传感器尺寸为7.16x 5.44mm。第三部分：促动器跟踪系统促动器跟踪系统主要包括促动跟踪模块和精密位移加载模块。促动跟踪模块是指参考端对物端位移进行跟踪的硬件装置。在本专利技术中所使用促动器装置110由实验室自制，具体包括压电陶瓷器件(以下简称“PZT”)和电压驱动器109；在测量系统中，将PZT紧密粘贴在反射镜上(模型图如图2(a))，通过增减电压使其能够自由伸缩，从而达到位移追踪的目的。精密位移加载模块是由纳米平动装置107和相应的数字控制器108组成，纳米平动装置(模型图如图2(b))位移精度为1nm，调节范围在300μm；在实际测量中，该装置既可作为被测物的放置平台，也可以在PZT标定时提供等间距的移动量。第四部分：测量系统软件在本专利技术中，控制软件起着很重要的作用，如何将CCD控制程序、PZT控制程序以及跟踪算法高效的集成在一起，是保证系统能够快速响应的关键。所有程序都是由VC++实现，在VS2010环境里编写，相机控制程序运行在Balser公司的Pylon4.0版本下，PZT控制程序是基于RS232的串口通信，跟踪过程均以windows消息事件的方式进行触发。基于上述技术方案，本专利技术理论测量分辨率可达0.148nm，单次步长响应时间约0.3s，测量范围约0.6μm。本专利技术的特点是，构建了一套新型的光学测量系统，综合了激光干涉、图像处理和自动控制等多个学科知识，能实现单方向上纳米级精度的实时测量，可以解决在高精度测量领域中测量分辨率与测量范围的矛盾问题，并保证良好的系统响应时间，在高精密机械、航空航天等领域中能得到较好的应用，对于发展极端条件下的材料无损检测技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，其特征在于：该测量方法利用图像处理的方式获取位移的方向和大小；以及利用硬件设备根据图像反馈信号对位移进行跟踪补偿；所述图像处理方式是指常用数字图像处理技术，包括灰度等级分析、灰度重心法、直方图对比和/或匹配法；所述硬件设备是指各类高精度位移促动装置，包括压电式、电容式、电感式、步进电机式或人工螺旋式精密设备。

【技术特征摘要】
1.一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，其特征在于：该测量方法利用图像处理的方式获取位移的方向和大小；以及利用硬件设备根据图像反馈信号对位移进行跟踪补偿；所述图像处理方式是指常用数字图像处理技术，包括灰度等级分析、灰度重心法、直方图对比和/或匹配法；所述硬件设备是指各类高精度位移促动装置，包括压电式、电容式、电感式、步进电机式或人工螺旋式精密设备。2.根据权利要求1所述的一种高精度大量程实时单点离面位移的测量方法，其特征在于：所述图像处理方式具体步骤如下：步骤(1)、在位移发生前，需要将干涉图像稳定后的状态记录，并将其作为系统位移前的初始状态；步骤(2)、利用判断位移方向的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该图像算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比判断出干涉条纹的移动方向，从而获知位移方向；步骤(3)、利用预估位移大小的图像算法计算初始状态的图像，获得对应的特征值；之后将该算法实时计算最新的干涉图像，并获得各自对应的特征值；通过特征值的对比预估出干涉条纹的移动量，进而对硬件设备反馈跟踪信号；步骤(4)、硬件设备根据反馈信号做出相应的跟踪响应，直到预估位移大小的图像算法检测到最新的干涉图像与初始状态相同或者非常接近，此时硬件设备跟踪停止。3.一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪泓，熊宸，张明，胡文欣，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34