一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法，该位移测量系统包括LED背光源、玻璃线纹尺、位移驱动模块、图像采集模块、数据处理和显示模块。在测量中，将玻璃线纹尺置于LED背光源上，并让其随位移驱动模块中的直线位移滑台做平移运动，图像采集模块便可采集到不同位置的条纹图像，然后利用数据处理和显示模块对平移前后的图像进行相位相关，便能得到图像之间平移的像素数，最终利用物像之间的比例关系，就能够获取位移台的实际位移值。本发明专利技术提出的位移测量系统和位移测量方法解决了传统栅式传感器安装灵活性不足的问题，相比之前的视觉测量方法，其测量精度更高、量程更大。更大。更大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及光学测量领域，具体设计一种基于像栅的直线位移测量系统及测量方法。

技术介绍

[0002]直线位移测量在工业生产中应用极其广泛，比如物体位置信息的获取、三维形貌的复原、各种零部件的加工等。然而随着先进制造业的发展，很多领域对于位移测量的高精度和大量程的需求也越来越突出，例如：半导体领域超大尺寸晶圆的加工和测量、航空航天领域航空叶片尺寸和形貌的测量、自由曲面加工领域高档数控机床的定位、计量领域三坐标测量机的研究与开发等。
[0003]目前高精度、大量程的位移测量系统大都通过激光干涉仪或传统的栅式传感器来实现。激光干涉仪的精度最高，分辨率可达纳米甚至亚纳米级，但是它在使用过程中不仅需要精确的对准安装，而且对外界的环境也有很高的要求，以避免温度、振动等外界因素造成检测精度的下降，从而限制了其在工业中的应用。传统的栅式位移传感器包括光栅、磁栅、容栅和感应同步器，这些传感器的测量精度相比激光干涉仪略低，其分辨率都依赖于栅尺刻线，且存在明显的累积误差。此外，它们均采用栅尺和读数头紧贴的结构，其狭窄的安装距离限制了其安装的灵活性，给旧设备加装新的位移传感器和新设备的结构优化带来了极大的麻烦。
[0004]视觉测量技术近年来发展非常迅速，其凭借安装简单、成本低廉、非接触、远距离、高分辨率等优点被广泛应用于三维重建、目标检测、变形分析等领域。针对视觉中大位移测量，清华大学刘雪玲等提出基于图像灰度信息的直线位移测量方法，该方法通过建立周期性图像各像素点的灰度值与直线运动位移间的映射函数模型，从而解算出位移台的位移。实验结果表明该方法在10mm的测量范围内，标准差为4μm。但这种方法在高频率的位移信息采样中，会显著增加计算机的运算负担。
[0005]图像相关方法是视觉测量中研究面内变形或刚体位移的常用方法，它具备极强的适应性和实时性，并且可以通过插值实现亚像素位移的测量。因此，将图像相关方法应用于直线位移测量具有极大的研究前景。安徽大学赵吉文等则是利用随位移台运动的相机拍摄非周期正弦条纹图像，并通过标定物像尺寸比实现了位移台位移量的测量。他们提出了各种基于相位相关的亚像素插值算法，并对比分析了各种相关算法在亚像素插值中的速度、精度及抗干扰问题，得到了较好的计算图像平移的解决方案。
[0006]这两类基于视觉的直线位移测量方法各有千秋，但是没有解决如何在大位移行程中实现高精度测量的问题。原因可分为两个方面：一是忽视了光学畸变对于位移测量精度的影响；二是没有打破单个视场的限制，实现更大量程的测量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供了在大位移行程中实现高精度测量的一种基于像栅的直
线位移测量系统。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于像栅的直线位移测量系统一种基于像栅的直线位移测量系统，包括LED背光源、玻璃线纹尺、位移驱动模块、图像采集模块、数据处理和显示模块；将所述玻璃线纹尺置于LED背光源上，并让其随位移驱动模块中的直线位移滑台做平移运动，通过所述图像采集模块采集到不同位置的条纹图像，然后利用数据处理和显示模块对平移前后的图像进行相位相关，来得到图像之间平移的像素数，根据得到的像素数并利用物像之间的比例关系来获取位移台的实际位移值。
[0009]优选地，玻璃线纹尺包括两种条纹线纹尺：一种是用于对焦、调整相机光轴垂直度、标定像素当量的全条纹线纹尺；一种是实现位移测量的部分条纹线纹尺，其表面刻有特殊设计的条纹。
[0010]优选地，所述图像采集模块，包括超低畸变镜头组、高分辨率线阵相机以及计算机。
[0011]优选地，所述超低畸变镜头组安装于所述高分辨率线阵相机上，且高分辨率线阵相机的输出端接至所述计算机上。
[0012]优选地，所述数据处理和显示模块通过计算机对图像采集模块得到的平移图像进行处理计算，并将计算结果进行显示。
[0013]优选地，所述LED背光源置于所述位移驱动模块的电动直线位移滑台上，且玻璃线纹尺置于LED背光源上，LED背光源发出的光线透过玻璃线纹尺即可形成条纹图像被图像采集模块获取，再由图像采集模块将条纹图像传输至数据处理和显示模块进行计算处理和位移值的显示。
[0014]一种采用如上所述的一种基于像栅的直线位移测量系统进行直线位移测量方法，包括如下步骤：
[0015](1)对焦：将全条纹线纹尺置于LED背光源上，上下调整线阵相机及镜组的位置，使相机中出现清晰的条纹图像；
[0016](2)调整相机光轴垂直度：根据规定数目条纹图像在全视场中各个位置所占像素数的分布情况，调整相机光轴，使其垂直于线纹尺平面；
[0017](3)标定像素当量：用规定数目条纹的实际长度比上其在像面中所占的像素数，得到用于计算线纹尺位移的像素当量值；
[0018](4)获取平移图像：将全条纹线纹尺更换为测量用的部分条纹线纹尺，驱动电动直线位移滑台，带动LED背光源和部分条纹线纹尺运动，线阵相机能够拍到平移的条纹图像。
[0019](5)亚像素配准：使用DFT(离散傅里叶变换)局部上采样相位相关法来获得图像间具有亚像素精度的平移像素数；
[0020](6)得出实际位移值：用步骤(3)标定的像素当量乘以步骤(5)得到的平移像素数，得到玻璃线纹尺的实际位移。
[0021]优选地，在步骤(1)中，调节LED背光源的发光亮度和线阵相机的曝光时间，在景深的中间位置使线纹尺清晰成像。
[0022]优选地，在步骤(2)中，根据透视投影原理可知，在相机光轴完全垂直于物体平面时，物平面内的任一等长的物体在像平面中的像长都相等。所以通过判断视场中不同位置相同宽度(规定数目)条纹在像面上的像素数分布是否相等，来完成相机光轴垂直度的调
整。
[0023]优选地，在步骤(4)中，部分条纹线纹尺的每组条纹在线纹尺上分开布置，一个线对宽度可设置在90μm
‑
150μm之间，总宽度为3600μm。
[0024]优选地，在步骤(4)中，部分条纹线纹尺的条纹设计还需要满足以下条件(i)至少相邻的三组条纹的特征不相同；(ii)每两组条纹之间的间隔足够充满相机视野。此外，根据条纹位于视场中的相对位置，调整条纹图像的采样间隔，确保视场内都有一组完整的条纹与前面位置的相同条纹图像进行匹配，以保证匹配的准确性和连续性。
[0025]优选地，在步骤(5)中，DFT局部上采样相位相关法是学者们提出的一种基于频域的亚像素配准方法，它具有很高的鲁棒性、准确性和实时性，是高频率采集下用于计算图像平移的上好方法。可分为两步：(i)整像素级定位。要把图像在空域中的平移通过傅里叶变换转换为相移，然后取互功率谱，即可得到代表图像平移的纯相位变化，最后通过逆变换就能得到δ函数，此时δ函数峰值处的位置坐标就表示了参考图像平移的像素数；(ii)亚像素级定位。该步骤的核心是在功率谱不变的情况下，细化空域中的峰值位置周围的局部区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于像栅的直线位移测量系统，其特征在于，包括LED背光源、玻璃线纹尺、位移驱动模块、图像采集模块、数据处理和显示模块；将所述玻璃线纹尺置于LED背光源上，并让其随位移驱动模块中的直线位移滑台做平移运动，通过所述图像采集模块采集到不同位置的条纹图像，然后利用数据处理和显示模块对平移前后的图像进行相位相关，来得到图像之间平移的像素数，根据得到的像素数并利用物像之间的比例关系来获取位移台的实际位移值。2.根据权利要求1所述的一种基于像栅的直线位移测量系统，其特征在于，玻璃线纹尺包括两种条纹线纹尺：一种是用于对焦、调整相机光轴垂直度、标定像素当量的全条纹线纹尺；一种是实现位移测量的部分条纹线纹尺，其表面刻有特殊设计的条纹。3.根据权利要求2所述的一种基于像栅的直线位移测量系统，其特征在于，所述图像采集模块，包括超低畸变镜头组、高分辨率线阵相机以及计算机。4.根据权利要求3所述的一种基于像栅的直线位移测量系统，其特征在于，所述超低畸变镜头组安装于所述高分辨率线阵相机上，且高分辨率线阵相机的输出端接至所述计算机上。5.根据权利要求3所述的一种基于像栅的直线位移测量系统，其特征在于，所述数据处理和显示模块通过计算机对图像采集模块得到的平移图像进行处理计算，并将计算结果进行显示。6.根据权利要求3所述的一种基于像栅的直线位移测量系统，其特征在于，所述LED背光源置于所述位移驱动模块的电动直线位移滑台上，且玻璃线纹尺置于LED背光源上，LED背光源发出的光线透过玻璃线纹尺即可形成条纹图像被图像采集模块获取，再由图像采集模块将条纹图像传输至数据处理和显示模块进行计算处理和位移值的显示。7.一种采用如...

【专利技术属性】
技术研发人员：周东方，程方，余卿，张雅丽，苏杭，张岩，陈涛，邹彤，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：