专利名称：非接触式面内位移测量装置的制作方法
技术领域：
非接触式面内位移测量装置技术领域[0001]本实用新型有关于一种位移测量装置，尤其有关于一种非接触式面内位移测量直O背景技术[0002]现有技术中，用于测量位移的仪器主要有接触式和非接触式两类，接触式位移 测量装置主要为绕线式位移计、电阻尺、旋转编码器等，非接触式位移测量装置包含光 栅、容栅、磁栅、激光测长仪等。接触式位移测量装置普遍存在不耐磨损，测量精度低 等缺点，非接触式位移测量装置是对面内位移测量技术的扩展，它使作为计量方法的一 种非接触式面内位移测量具有更广泛的使用环境和应用对象。[0003]目前，采用非接触式位移测量装置对物体进行量测时，需要预先在被测物体表 面黏贴标记物，用测头跟踪标记物，通过非接触式位移测量装置中的光栅尺测量测头的 位移变化来间接测量物体表面的位移或形变。该种非接触式位移测量装置测量过程较繁 杂，为保证测量精度，对标记物的黏贴位置要求较高，而且，光栅尺作为一种一维空间 测量器，仅能对测头沿平行光栅尺方向发生的位移变化进行测量，当测头产生沿其它方 向的位移变化时，光栅尺的测量数据与测头实际发生的位移变化量之间会存在差易，导 致测量结果不准确；再有，光栅尺具有固定量程距离，其测量范围受量程距离的限制， 难以应用于连续的大尺度面内位移测量；另外，对柔性材料例如纺织物进行测量时，标 记物会对柔性材料表面的形变产生一定影响，会导致测量出的被测物体表面的形变存在 误差；光栅尺的温度性能较差、防尘效果也不理想，在高温、高压等特殊环境下，光栅 尺的测量精度会降低，影响位移测量的准确度。但是，为达到高精度、长距离的测量结 果，而提高光栅尺的测量精度和量程长度，会导致非接触式位移测量装置的价格和维护 成本提高，不利于测量技术的推广。[0004]因此，有必要提供一种新型的非接触式面内位移测量装置，以克服上述缺陷。 实用新型内容[0005]本实用新型的目的是提供一种非接触式面内位移测量装置，该装置的测量测头 与标尺共同组成被测物体的运动反馈装置，能够实时精确的检测出跟踪测头所跟踪的被 测物体表面跟踪点的位移或形变的二维运动，确保测量精度；该装置不受环境因素的影 响，在高温、高压等特殊环境下也能够进行测量，测量范围更广。[0006]本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现[0007]—种非接触式面内位移测量装置，所述测量装置包括[0008]运动跟踪机构，其包括标尺和至少一个传动机构；[0009]至少一个测量单元，所述测量单元的数量与传动机构的数量相同，每个测量单 元包括相互对应的一个跟踪测头和一个测量测头，被测物体对应地设置在所述跟踪测头 的一侧，所述标尺对应地设置在所述测量测头的一侧，每个测量单元通过所对应的传动机构能上下移动设置。[0010]在优选的实施方式中，每个所述传动机构包括丝杠和滑块，所述跟踪测头和测 量测头分别连接在所述滑块的两端，所述滑块可上下移动地连接在所述丝杠上。[0011]在优选的实施方式中，所述测量单元为两个，所述两个测量单元上下相对设 置；所述传动机构为两个，其分别带动所述两个测量单元上下移动。[0012]在优选的实施方式中，所述运动跟踪机构还包括支撑底座和导轨，所述导轨固 定设置在所述支撑底座上，所述标尺设置在所述支撑底座上，所述丝杠支撑在支撑底座 上。[0013]在优选的实施方式中，所述导轨具有两个立架和一个横架，所述两个立架的顶 部分别连接在所述横架的两端，其底部固定连接在所述支撑底座上。[0014]在优选的实施方式中，所述横架上设置有与所述丝杠相对应的定位孔，所述丝 杠可转动地穿设在所述定位孔中。[0015]在优选的实施方式中，所述丝杠的一端连接有能带动丝杠转动的驱动源。[0016]在优选的实施方式中，所述标尺与所述测量测头相对的表面为光学粗糙表面。[0017]在优选的实施方式中，每个所述跟踪测头和每个所述测量测头均包括激光器和 图像传感器，所述图像传感器位于所述激光器在所述被测物体或标尺的反射光束线上， 所述图像传感器的光轴与所述激光器的光轴均与所述被测物体或标尺的表面法线成锐角 布置。[0018]在优选的实施方式中，每个所述跟踪测头和每个所述测量测头还包括扩束镜、 准直透镜和成像透镜，沿着所述激光器的光轴方向依序设置有所述扩束镜和所述准直透 镜，沿着所述激光器的反射光方向依序设置有所述成像透镜和所述图像传感器。[0019]本实用新型的非接触式面内位移测量装置的特点及优点是[0020]一、本实用新型的非接触式面内位移测量装置，测量测头与标尺共同组成被测 物体的运动反馈装置，当跟踪测头实时跟踪被测物体表面的跟踪点时，测量测头通过传 动机构的带动与跟踪测头一同运动，能够达到实时精确的检测被测物体表面跟踪点的位 移或形变的二维运动的目的，在提高测量精度的同时，降低生产成本；该装置不受环境 因素的影响，对高温、高压等特殊环境下的测量精度也有所保证，测量范围更广。[0021]二、本实用新型的非接触式面内位移测量装置，该装置的跟踪测头具有用于跟 踪被测物体表面跟踪点的图像传感器，因此，无需在被测物体表面黏贴标记物，即可测 量被测物体表面产生的位移或形变，适用于对柔性材料的测量；同时，当被测物体发生 面内位移或者形变时，跟踪测头可以实时跟踪被测物体表面的跟踪点，使照射在被测物 体表面上的光束跟踪指定的区域。[0022]三、本实用新型的非接触式面内位移测量装置，丝杠和标尺可设计成任意长 度，实现对被测物体大量程的面内位移或者形变测量。[0023]四、本实用新型的非接触式面内位移测量装置，传动机构采用丝杠传动带动跟 踪测头和测量测头运动，传动效率高、运动稳定。


[0024]为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所4需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。[0025]图1是本实用新型的非接触式面内位移测量装置的结构示意图。[0026]图2是本实用新型的非接触式面内位移测量装置测头的结构示意图。
具体实施方式
[0027]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进 行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0028]如图1所示，本实用新型的非接触式面内位移测量装置包括运动跟踪机构1和至 少一个测量单元2。该运动跟踪机构1包括标尺11和至少一个传动机构12。测量单元 2的数量与传动机构12的数量相同，每个测量单元2包括相互对应的一个跟踪测头21和 一个测量测头22，被测物体3对应地设置在跟踪测头21的一侧，该标尺11对应地设置在 测量测头22的一侧，每个测量单元2通过所对应的传动机构12能上下移动设置。[0029]本实用新型实施例的测量装置是用来测量被测物体3的面内位移，当跟踪测头 21通过传动机构12实时跟踪被测物体3表面的跟踪点时，测量测头22与跟踪测头21 — 同运动，且测量测头22与标尺11共同组成被测物体3的运动反馈装置，能够达到实时精 确的检测被测物体3表面跟踪点A的位移或形变的二维运动的目的，在提高测量精度的同 时，降低生产成本；该装置不受环境因素的影响，对高温、高压等特殊环境下的测量精 度也有所保证，测量范围更广。[0030]根据本实用新型的一个实施方式，每个传动机构12包括丝杠121和滑块122， 跟踪测头21和测量测头22分别连接在滑块122的两端，滑块122可上下移动地连接在丝 杠121上，从而带动跟踪测头21和测量测头22 —起上下移动。具体是，丝杠121上设 置有外螺纹，滑块122上设有内螺纹孔，且滑块122周向固定，滑块122与丝杠121通过 内螺纹孔与外螺纹的相互配合连接在一起，当丝杠121转动时，滑块122可沿丝杠121的 轴向方向上下移动。该传动机构12采用丝杠121传动带动跟踪测头21和测量测头22运 动，传动效率高、运动稳定。另外，丝杠121和标尺11可根据被测物体的尺寸设计成任 意长度，实现对被测物体3任意量程的测量，特别适用于大量程的面内位移或者形变的 测量。[0031]在本实施方式中，非接触式面内位移测量装置具有两个测量单元2，两个测量单 元2上下相对设置，传动机构12也为两个，其分别带动两个测量单元2上下移动。两 个传动机构12的两个丝杠121可以设置成同方向的外螺纹，也可以设置成反方向的外螺 纹，两个测量单元2分别通过各自的滑块122上下移动的连接在两个不同的丝杠121上。 在使用时，两个测量单元2的两个跟踪测头21分别指向被测物体3表面的两个不同的跟 踪点A和跟踪点C，通过两个丝杠121的旋转分别带动两个测量单元2相向或相对运动， 如此能够满足被测物体3两相对跟踪点A和跟踪点C之间的位移变化量的测量要求。[0032]根据本实用新型的一个实施方式，该运动跟踪机构1还包括支撑底座13和导轨14，导轨14固定设置在支撑底座13上，标尺11也固定设置在支撑底座13上，丝杠121 支撑在支撑底座13上。具体是，导轨14具有两个立架141和一个横架142，两个立架 141的顶部分别连接在横架142的两端，两个立架141的底部固定连接在支撑底座13上。 横架142上设置有与丝杠121相对应的定位孔143，丝杠121可转动地穿设在定位孔143 中，定位孔143的作用是使丝杠121定位，使丝杠121不会弯曲倾斜，尽可能地不偏移其 轴心地转动，以使滑块122沿着上下方向移动。[0033]根据本实用新型的一个实施方式，丝杠121的一端连接有能带动丝杠121转动 的驱动源4。所述驱动源4可以为电动机，或者可以为气动马达等，只要能够带动丝杠 121旋转的驱动装置即可；通过调整驱动源4，可以调整丝杠121的转速，从而可调整滑 块122的上下移动速度。[0034]根据本实用新型的一个实施方式，标尺11与测量测头22相对的表面111为光学 粗糙表面。将标尺11面对测量测头22的一面设置为光学粗糙表面，可以提高测量测头 22测量数据的准确度，进而保证被测物体3面内位移测量数据的精度。[0035]根据本实用新型的一个实施方式，如图2所示，每个跟踪测头21和测量测头22 均包括激光器51和图像传感器52，图像传感器52位于激光器51在被测物体3或标尺11 的反射光束线上，图像传感器52的光轴与激光器51的光轴均与被测物体3或标尺11的 表面法线F成锐角布置。具体是，激光器51的光轴与法线F的夹角为α，图像传感器 52的光轴与法线F的夹角为β，夹角α与夹角β均小于90度，夹角α可以与夹角β 相同，也可以与夹角β不同，只要能够保证图像传感器52可接收来自激光器51经被测 物体3或标尺11的反射光束即可。在使用时，无需在被测物体3表面31黏贴标记物， 即可测量被测物体表面31产生的位移或形变，适用于对柔性材料的测量；同时，当被测 物体3发生面内位移或者形变时，跟踪测头21可以实时跟踪被测物体表面31的跟踪点A 和C，使照射在被测物体表面31上的光束跟踪指定的区域。[0036]每个跟踪测头21和每个测量测头22还包括扩束镜53、准直透镜M和成像透镜 55,沿着激光器51的光轴方向依序设置有扩束镜53和准直透镜Μ，沿着激光器51的反 射光方向依序设置有成像透镜阳和图像传感器52，也就是说，激光器51发出的光首先 依 次经过扩束镜53和准直透镜Μ，到达被测物体3 (或标尺11)上，经被测物体3 (或标尺 11)反射后，再经过成像透镜阳而被图像传感器52接收。[0037]本实用新型的测量过程描述如下所述测量装置外接有一组测量系统(图中未 示出)，该测量系统包括有计算机处理装置、运动控制装置和显示装置。具体是，首先， 在被测物体3表面31选择跟踪点A和跟踪点C (跟踪点的个数与跟踪测头21的数量相 同，此处以两个为例进行说明)，两个跟踪测头21分别指向跟踪点A和跟踪点C，在标 尺11的表面选择参考点B和参考点D(参考点的个数与测量测头22的数量相同，此处以 两个为例进行说明)，两个测量测头22分别指向参考点B和参考点D。当对被测物体3 进行拉伸或压缩时，跟踪点A和跟踪点C会随着被测物体3表面的位移变化而移动。跟 踪测头21的图像传感器52具有一个跟踪区域，当跟踪点A、C移出该跟踪区域时，跟踪 测头21的图像传感器52会向计算机处理装置发出信号，此时计算机处理装置根据该信号 向运动控制装置发出指令，运动控制装置经过处理分别实时调节两个驱动源4的转动速 度，两个驱动源4分别带动两个丝杠121转动，从而调节两个跟踪测头21沿丝杠121的6运动速度，使其图像传感器52跟踪跟踪点A、C。[0038]该计算机处理装置将图像传感器52采集到的信息显示在显示装置上。以标尺11 固定在支撑底座13上的固定点为参考零点，测量测头22测量参考点B相对于支撑底座13 的位移矢量为dB(x，y)，另一测量测头22测量参考点D相对于支撑底座13的位移矢量 为dD(x，y)，跟踪测头21测量跟踪点A相对于该跟踪测头21的位移矢量为δΑ(χ，y)， 另一跟踪测头21测量跟踪点C相对该另一跟踪测头21的位移矢量为δ c(x, y)。通过 计算可以得出，跟踪点A相对于支撑底座13的位移矢量dA(x，y) = δΑ(χ, γ)+δΒ(χ, y)+dB(x, y)，跟踪点C相对于支撑底座13的位移矢量dc(x，y) = 5C(X, γ)+δΒ(χ, y)+dD(x, y)。因此，跟踪点A相对于跟踪点C的位移矢量，也即被测物体3表面的位 移量 AdAC(x，y)=dA(x，y)_dc(x，y)。其中，||δΑ(χ，y)||< ε A, || δ c(x, y)||< ε c,ε A和ε c为保证跟踪点A和跟踪点C始终分别位于两个跟踪测头21的跟踪区域(探测 范围)内的正数。[0039]以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开 的可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。
权利要求1.一种非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述测量装置包括运动跟踪机构，其包括标尺和至少一个传动机构；至少一个测量单元，所述测量单元的数量与传动机构的数量相同，每个测量单元包 括相互对应的一个跟踪测头和一个测量测头，被测物体对应地设置在所述跟踪测头的一 侧，所述标尺对应地设置在所述测量测头的一侧，每个测量单元通过所对应的传动机构 能上下移动设置。
2.如权利要求1所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，每个所述传动机构 包括丝杠和滑块，所述跟踪测头和测量测头分别连接在所述滑块的两端，所述滑块可上 下移动地连接在所述丝杠上。
3.如权利要求2所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述测量单元为两 个，所述两个测量单元上下相对设置；所述传动机构为两个，其分别带动所述两个测量 单元上下移动。
4.如权利要求2所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述运动跟踪机构 还包括支撑底座和导轨，所述导轨固定设置在所述支撑底座上，所述标尺设置在所述支 撑底座上，所述丝杠支撑在支撑底座上。
5.如权利要求4所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述导轨具有两个 立架和一个横架，所述两个立架的顶部分别连接在所述横架的两端，其底部固定连接在 所述支撑底座上。
6.如权利要求5所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述横架上设置有 与所述丝杠相对应的定位孔，所述丝杠可转动地穿设在所述定位孔中。
7.如权利要求6所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述丝杠的一端连 接有能带动丝杠转动的驱动源。
8.如权利要求1所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，所述标尺与所述测 量测头相对的表面为光学粗糙表面。
9.如权利要求1至8任意一项所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，每个 所述跟踪测头和每个所述测量测头均包括激光器和图像传感器，所述图像传感器位于所 述激光器在所述被测物体或标尺的反射光束线上，所述图像传感器的光轴与所述激光器 的光轴均与所述被测物体或标尺的表面法线成锐角布置。
10.如权利要求9所述的非接触式面内位移测量装置，其特征在于，每个所述跟踪测 头和每个所述测量测头还包括扩束镜、准直透镜和成像透镜，沿着所述激光器的光轴方 向依序设置有所述扩束镜和所述准直透镜，沿着所述激光器的反射光方向依序设置有所 述成像透镜和所述图像传感器。
专利摘要一种非接触式面内位移测量装置，所述测量装置包括运动跟踪机构，其包括标尺和至少一个传动机构；至少一个测量单元，所述测量单元的数量与传动机构的数量相同，每个测量单元包括相互对应的一个跟踪测头和一个测量测头，被测物体对应地设置在所述跟踪测头的一侧，所述标尺对应地设置在所述测量测头的一侧，每个测量单元通过所对应的传动机构能上下移动设置。本实用新型的非接触式面内位移测量装置，其测量测头与标尺共同组成被测物体的运动反馈装置，能够实时精确的检测出跟踪测头所跟踪的被测物体表面跟踪点的位移或形变的二维运动，确保测量精度；该装置不受环境因素的影响，在高温、高压等特殊环境下也能够进行测量，测量范围更广。
文档编号G01B11/02GK201811726SQ20102029143
公开日2011年4月27日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘大亮, 吴速, 唐文彦, 崔厚欣, 杨长江 申请人:北京时代之峰科技有限公司