[发明专利]一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法。本发明包括双模测头、宽光谱光源、光纤光路、光谱检测模块和信号处理模块。双模测头通过将光谱共焦的光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、另一路用于精确测定接触式探针的接触状态，实现非接触式和接触式两种测量模式。接触式探针的固定侧具有平端面，探针的接触力将改变平端面的姿态和位置，利用光谱共焦的测距原理，光谱检测模块测量并计算得到接触式探针的受力位置、受力大小和受力方向。当上述受力数据大于设定阈值时，信号处理模块将对外输出触发信号，用于控制数据采集装置采样。本发明可实现平面角度、形位误差、表面粗糙度等几何量的高精度测量。

技术领域

本发明涉及精密检测技术，具体涉及一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法。

背景技术

光谱共焦位移测量技术是一种基于光谱共焦原理的高精度非接触式位移测量技术，最早由STIL公司在1995年提出，其基本原理是：白光源(通常采用LED复色光源)通过光纤—光纤耦合器—光纤的形式传到色散透镜中，相当于形成一个共焦小孔，复色光经过色散透镜准直后再聚焦，在主光轴上发生轴向色散并形成一系列连续的聚焦点，即不同波长的单色光聚焦于主光轴上不同位置。被测物体离镜头存在一定距离时，仅有特定波长的光聚焦在被测物体上，处于共焦状态，反射回镜头的能量分布集中，接收到的光通量大；其余波长的光不聚焦在被测物体上，处于离焦状态，反射回镜头的光分布范围远大于光纤纤芯直径，接收到的光通量小。因此得到的反射光为具有单一峰值的连续光谱，将此光谱送至光谱仪进行解码，得到光强最大处对应的波长，即可得出被测物体的位移信息。在理想情况下，光的波长与其聚焦位置成线性关系。

目前，光谱共焦位移测量传感器已经有成熟的商业化产品，主要国外厂家有STIL、Precitec、Micro-Epsilon、Keyence等，主要国内厂家有ThinkFocus、立仪、海伯森、创视智能等。根据不同测量要求开发出种类繁多的传感器，其中最高分辨率可达纳米级别，最高测量速度可达70kHz，并有最小外径4mm的轴向、径向探头以满足小孔、狭缝内的测量要求。

具体测量应用时，上述技术和产品需要待测物体表面光洁且具备良好的粗糙度等级，且要求色散透镜的主光轴尽量垂直于待测物体的表面。单一模式的光谱共焦位移传感器受限于色散镜头的口径和测量范围，在测量复杂结构件时，往往存在测量盲区。这些情况限制了光谱共焦位移测量技术的应用。

发明内容

光谱共焦位移测量技术是一种成熟的高精度非接触式位移测量技术，但其需要待测物体具备良好的表面粗糙度，且要求色散透镜的主光轴尽量垂直于待测物体的表面。上述情况使其应用场景大大受限，尤其无法满足复杂构件的测量。本发明的目的是提出一种基于光谱共焦原理且具有两种工作模式的几何量精密测量技术，基于光谱共焦位移测量的基本原理，发明一种双模测头，通过将光谱共焦的光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、一路用于精确测定接触式探针的接触状态，实现非接触式和接触式两种测量模式。接触式测量模式不需要待测物体表面具有良好粗糙度等级，也接触式探针的轴线也无需垂直于待测物体表面。借助不同长度的探针，可以延长测量装置的工作距离。因此，两种工作模式相互配合，可以有效减小复杂结构件测量时的盲区。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，包括双模测头、宽光谱光源、针孔构件、光纤光路、光谱检测模块以及信号处理模块。