[发明专利]基于光谱波长的非接触式位移测量方法及其测量装置

说明书

一种基于光谱波长的非接触式位移测量方法及其测量装置，其中装置包括点状光源，出射多色光；光学元件，使所述光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光会聚于测量对象物上；第一测量器，其具有开口，在由所述光学元件会聚的光中，使聚焦于所述测量对象物上的光通过；第二测量器求出通过所述开口的光的光谱，基于所述光谱的峰波长，求出所述光学元件与所述测量对象物之间的距离；第一测量器求出预定的参考光谱的光环的重心位置与第一测量器上的光轴中心点之间的位置偏移量，并利用与所述位置偏移量关联的距离补偿值来校正所述距离。本发明不用改变光学元件与测量对象物之间的距离，也能得出准确率高的测量结果。

技术领域

本发明涉及一种基于光谱波长的非接触式位移测量方法及其测量装置。

背景技术

随着精密和超精密制造业的飞速发展，对位移传感器的要求也越来越高:(1)超精密加工技术要求位移传感器的精度达到亚微米级甚至纳米级;(2)当被测样品表面质量较高或者为镀膜的表面时，使用接触式的位移传感器可能会划伤被测表面;当被测样品为弱刚性、轻软质材料时(如尼龙、橡胶)，宏观测量力会使接触点弹性变形，对测量结果造成一定影响。(3)高速加工技术的机床主轴转速高达万转量级，要求传感器的响应频率达到几KHz甚至几十KHz; (4)测量领域热点问题之一的微小内尺度测量，测量对象的尺寸约为几百微米至几毫米量级，传感器必须做小型化，才能完成相应的测量任务。

从适应制造业发展需求的角度看，接触式的位移传感器由于低频响及存在宏观测量力等缺点，己无法完成相应的测量任务。为了满足目前位移传感器高精度、非接触、高频率和广泛的适应性的重要发展方向，发展高精度的非接触测量方法是解决测量领域许多现存问题的必然途径。

现有的非接触测量方式主要归为两类，第一类是电磁式非接触测量，第二类是光电式非接触测量。

电磁式位移传感器中比较具代表性的是电容和电涡流式位移传感器。这两种传感器在技术及应用方面都发展的十分成熟，应用也相当广泛。但是这两种测量原理存在一些固有缺陷，主要体现在两方面:(1)对被测物体材料有要求。电容式位移传感器工作时犹如一个电极，被测物犹如一个相对电极[2]，因此电容式位移传感器只能对导电材料的被测物进行测量;而电涡流式位移传感器只能对金属材料进行测量。(2)电磁信号容易受外界干扰。如在航空航天领域中的电磁干扰((EMI)、电磁脉冲((EMP)等因素都会影响电磁式位移传感器的测量精度。

光电式非接触测量主要包括激光三角反射式、光纤式位移传感器和光谱共焦测量法。激光三角反射式位移传感器具有结构简单、测量精度高并可用于实时在线快速测量等特点;但其测量结果易受测头安装倾斜、被测表面颜色、光泽、表面粗糙度以及表面纹理状况等因素影响；光纤传感器的测量原理有两种；第一种是物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。第二种是结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

光谱共焦测量法是光电式非接触测量中一种较新的测量法，也是一种很有发展前景的测量法，倍受市场青睐。现有的基于光谱波长的非接触式位移测量方法和装置是利用位移与波长之间关系，通过光谱共焦位移传感器系统色散位移镜头的色散作用实现的。当点光源发出的具有宽光谱的复色光经过色散位移镜头时，产生光谱色散，在系统光轴方向上形成一系列点光源的单色像点。利用某一波长的单色像点与镜头之间的轴向距离关系，来实现位移测量。当被测表面处于测量范围内，入射光将在被测表面形成测量光斑并由被测表面反射，反射光将再次通过色散位移镜头并成像在小孔端面。对应被测表面位置的满足共焦条件的单色光将进入小孔，离焦反射的其它光谱成分的大部分通量则被小孔遮挡。光谱仪接收通过小孔的光信号，对其进行解谱并确定其中心波长，以此反推被测表面与镜头之间的距离，从而实现位移测量。