莫尔条纹技术

第七章莫尔条纹技术第1节莫尔Moire条纹形成的原理一概述200年前法国丝绸工人发现称为莫尔条纹Moire Fringe在工程上的应用上世纪五六十年代原因1采用照相技术制造黑白相间的计量光栅实现了廉价和成批制造2发展了莫尔信号的电子细分技术目前应用测长测角定位等等机床仪器应用很广还可实现自动跟踪轨迹控制变形测试三维轮廓测试等可实现1长度计量2长度定位控制3角度计量4角度定位控制5运动比较仪传动链检查仪6物体等高线测定7应变测定8相位测定等用莫尔条纹原理实现的线位移测量系统光栅尺用莫尔条纹原理实现的角位移测量系统光栅编码器二序数方程原理两光栅交点由栅线序数N M组成K M N令K M N条纹I (-3,-1) (-2,0) (-1,1) (0,2) (1,3) … K 2条纹II (-2,-1) (-1,0) (0,1) (1,2) (2,3) … K 1条纹III (-1,-1) (0,0) (1,1) (2,2) (3,3) … K 0设两光栅节距分别是P1P2相交角θ21sincos MPyxNPx=−=θθ可得莫尔条纹方程θθθsinsincos1121KPPPPxy −−=由此可推出莫尔条纹的宽度W及其对y轴的夹角φθθϕθcos2sinsincos2212221121222121PPPPPPPPPPPW−+=−+=莫尔条纹方程可写为ϕϕsinKWxctgy −=讨论1 P1P2P θ较小时2902sin2θϕθθ+=≈=DPPW2 θ 0时21210sinPPPPW−==ϕ若P1P2P条纹宽度为无限大光闸莫尔条纹三衍射干涉原理光栅副配置图光栅副的衍射波列两次衍射级次分别为n m q n m称为综合级序q相同的分量有同一衍射方向称为q级组或q级群四频谱分析原理1傅立叶频谱对于矩形光栅这种空间周期结构其调制光场可展成傅立叶级数表示∫∑−∞−∞=−==2/2/)exp()(1)exp()(PPnnnxjnxfPCxjnCxfωω[]∑∞=+=1)cos()2/(sin2)(nnncPPxf ωτωτττ2π /P称为基频对一对光栅副G1G2)()()(21GfGfTf =总结莫尔条纹形成可用三种方式描述1序数方程2衍射原理3频谱分析原理第2节光栅读数头一莫尔条纹信号的特点1条纹把位移放大2误差的平均效应3光栅信号与位移的对应关系移过的条纹数与栅距一一对应光栅移过一个栅距莫尔条纹移过一个条纹宽度Wθ/PW =Nδδ ±=4信号波形的正弦性5共模漂移取Vcp点灵敏度最高稳定性好6反差minmaxminmax2VVVVVVMcpppd+−==−二光栅读数头组成分光读数头直接接收式读数头镜像读数头反射光栅读数头组成光源准直透镜指示光栅光电探测器等一分光读数头1单相型PP2sinsinsinλγαλγ=+=αγ −=当时2多相型为判向和补偿直流漂移通常产生两项或四相信号相位差π或π/2直读分光型读数头二直接接收式读数头1单相型直接接收式读数头2四相式1输出0 π/2 π 3π/2四相信号2以LED为光源也可用指示光栅裂相刻划获取四相三镜像式读数头1单块光栅成像式中心对称的镜像读数头2两块光栅式可以在滤波面滤波得到G1节距的倍频投影式镜像读数头4反射式读数头在机床上用途很广金属反射型光栅读数头第3节莫尔条纹相关技术1光栅的零位前述增量式光栅无零位但实际中经常需要零位解决方案增加一个零位光栅例如零位光栅编码1表示透光0表示不透光1010010011010110001000001110100011001010000001010011最大通光面积与次大通光面积比为37/21/0==mφφ2光电转换与信号处理接收器光电二极管光电三极管硅光电池硒光电池等信号处理方法及细分方法类似激光干涉仪不确定度指标尚无光栅尺不确定度的标准1用全长最大误差表示准确度英国MT光栅尺小于914mm时其不确定度为±0.00127mm2用精度考核公式mLµ+100042用光栅尺实现的传统光机仪器改造用光栅尺改造万能工具显微镜数显万工显第4节莫尔技术测角1光电轴角编码器圆光栅的莫尔条纹1切向圆光栅a切向光栅b形成环形莫尔条纹c环形条纹解析图rRW22α=条纹宽度R光栅上某点的半径r相切小圆半径α圆光栅角节距条纹是一圈圈与圆光栅同心的同心圆2径向圆光栅d经向光栅e形成的条纹f形成条纹的解析图sRW22α=条纹宽度R光栅上某点的半径2s两圆光栅中心距α圆光栅角节距圆光栅读数头3准确度指标1间隔误差两栅线组的圆心角和理论圆心角之差2直径误差对经两组刻线相对理论位置偏差的平均值φ角位置的直径误差是是在0和180上两组刻线的平均角位置误差3直径全中误差测量范围各点直径误差的均方值2180D++=ϕϕϕδδxD180+ϕϕδδ和4应用举例第5节莫尔轮廓测定原理主要用于散射物体的宏观轮廓测量的光学投影式轮廓测量技术可以分为两大类:直接三角法:包括激光逐点扫描法光切法和新近出现的二元编码图样投影法相位测量法:相位测量法以测量投影到物体上的变形栅像的相位为基础,包括莫尔法移相法傅氏变换法等等莫尔轮廓测定原理一类将试件光栅和基准光栅合一测量时观察者或TV透过光栅观察其阴影称为实体光栅照射法简称照射型另一类实体光栅投影法在待测表面上产生试件光栅的变形像将空间变形像栅成像在基准光栅上1照射型莫尔法1几何原理相交光线与视线之间隔开的光栅缝数称为序数同一序数的明点与光栅平面的距离相等N1>h1N2>h2)/( NPdNPlhN−=2照射法的光场调制原理令光栅投射率函数为)/2(2121)( PxgxT π+=P为光栅节距g是任意周期函数则光栅出射面上光强I与入射面上光强I0有如下关系+= )/2(21210PxgII π当投射到物体上时变形光栅的节距P'为llhPP /)( +=′物体上的光强分布为φπ cos])/(2[212101++= PlhlxgIIφ为入射光与表面法线间夹角)(:)(:)(0lhxdhxx +−=−由于可求出变形光栅返回并透过光栅平面后的透射率分布函数+⋅++++++++=lhlxPglhlxhdPglhlxPglhlxhdPglIππππφ222214cos02将g写成傅立叶级数形式只考虑莫尔等高项讨论正弦光栅和黑白光栅情况可得1) 正弦光栅情况])(2cos211[4cos)(0lhPdhIzf++=πφ莫尔等高项2黑白光栅情况]2cos121[4cos)(1220++=∑∞=lhndhPnIzfnππφ莫尔等高项形成莫尔条纹等高线照射型的缺点要求光栅面积大至少覆盖被测轮廓而且必须靠近它因此发展了新的投影型莫尔条纹图形法2投影型莫尔条纹图形法投影型光学系统图投影型光学原理图一般情况下从基面到莫尔条纹的深度NPflfdNPfllhV)()(−−−=此法特点采用小面积基准光栅可以计测较大的三维物体透镜可调换倍率对微小物体可采用缩小投影不受光栅衍射现象影响投影的莫尔图可在物体上直接观察应用时尚有一些技术可参考有关专著用移动光栅法消除高次莫尔噪声项基于上述传统的莫尔等高法发展了一系列改进方法兹列举如下可参考有关文章1时域相位测量技术时域相位测量技术的代表形式是移相式轮廓测量法移相法有多种方案,出现较早的N步法将投影到物体表面的正弦光栅条纹移动N次,每次移动的相位值为2 /(N+1),从而得到N+1幅图像除此之外还有N段积分法N+1步法Carré最小二乘法等2空域相位测量技术空域相位测量技术只用一幅干涉图来解调相位信息这种技术有多种方法,但它们的本质是相同的包括a.移相莫尔法b.空域移相法c.傅氏变换法等物体的三维轮廓测量在高速检测质量控制机器/机器人视觉反求工程CAD/CAM以及医疗诊断等领域的应用日益重要具有非接触特性的光学测量方法由于其高分辨率无破坏数据获取速度快等优点而被公认为最有前途的三维轮廓测量方法光学投影式轮廓测量系统是宏观光学轮廓仪中最有发展前途的一种在以此为基础的众多轮廓测量法中,比较典型的有激光逐点扫描法光切法莫尔等高法和基于相位测量的傅氏变换法移相法等未来的发展方向将是具有自适应投影能力及图像处理能力的轮廓测量系统三坐标测量机简介三坐标测量机是60年代后期发展起来的一种高效率的精密测量仪器它的出现一方面是由于生产发展的需要即高效率加工机床的出现产品质量要求进一步提高复杂立体形状加工技术的发展等都要求有快速可靠的测量设备与之配合另一方面也由于电子技术计算技术及精密加工技术的发展为三坐标测量机的出现提供了技术基础三坐标测量机目前广泛应用于机械制造仪器制造电子工业航空和国防工业各部门特别适用于测量箱体类零件的孔距和面距模具精密铸件电子线路板汽车外壳发动机零件凸轮以及飞机型体等带有空间曲面的工件三坐标测量机的作用不仅是由于它比传统的计量仪器增加了一二个坐标使测量对象广泛而且它的生命力还表现在它已经成为有些加工机床不可缺少的伴侣例如它能卓有成效地为数控机床制备数字穿孔带而这种工作由于加工型面愈来愈复杂用传统的方法是难以完成的因此它与数控“加工中心”相配合已具有“测量中心”之称号现代三坐标测量机几乎都是计算机数字控制(C NC型)这种测量机的水平较高象数控机床一样可按照编好的程序进行自动测量三座标测量机英国三座标测量机国产三坐标测量机的结构型式三坐标测量机一般都具有互成直角的三个测量方向水平纵向运动为x方向又称x轴水平横向运动为y方向又称y轴垂直运动为z方向又称z轴三坐标测量机就其组成来说和一般计量仪器差不多主要部件有底座工作台立柱测量头以及三个运动方向的导轨等三坐标测量机的结构类型有下列几种1悬臂式z轴移动(图A21a)这类测量机的工作台其左右方向开阔操作方便缺点是z轴在悬y轴上移动容易引起y轴的挠曲使y轴的测量范围受到限制(一般不超过500mm)2悬臂式y轴移动(图A21b)这类测量机布局的特点是z轴固定在悬y轴上并同y轴一起前后移动有利于装卸工件缺点是悬臂在y轴方向移动重心变化比较明显3龙门式(图A21 c d)龙门式的结构刚性好适用于大型测量机x轴的移动距离可达10m4桥式(图A21 e f)桥式还分移动式和固定式两种其特点是装卸工件非常方便操作性能好适宜于小型测量机精度较高5卧式悬臂坐标测量机(图A21 g h)它是在卧式镗床或坐标镗床的基础上发展的精度高但结构复杂三测量系统三坐标测量机的测量系统的主要部件是测头和标准器三坐标测量机的精度与工作效率和测头密切相关没有先进的测头就无法发挥测量机的功能三坐标测头可视为一种传感器只是其种类结构原理性能较一般的传感器复杂得多大致可归纳为以下几类(1)机械接触式测头(硬测头)包括圆锥形圆柱形和球形测头回转式半圆和回转式1/4柱面测头盘形测头凹圆锥测头点测头V形块测头及直角测头等(2)光学非接触测头光学非接触测头对于测量软的薄的脆性的工件及光学刻线非常方便尤其对限定不能用机械测头与电测头的工件只能采用光学非接触测头它不仅可作二坐标测量用也能用作三坐标的测量适合于测量不规则空间型面(涡轮叶片软质表面等)(3)电气接触式测头按测头能感受的运动方向可分为单向的一维电测头双向的二维电测头和三向的三维电测头现以双簧。