高精度远距移测系统及用其测量位移、形变和长度的方法
【专利摘要】本发明提供一种高精度远距移测系统及用其测量位移、形变和长度的方法，本发明通过使用两个图像传感器采集图像并进行移测相关运算，可以解决了放大倍率与物体边界难以精确判定的技术问题。本发明的系统有多功能测量的优点，不仅可以测位移，也可以测量物体形变，并且具有测量距离远，放大倍数可任意设定，放大或缩小均可，测量精度高的特性。本发明在测量距离1米处，物像放大倍率为5：1情况下，测量精度达1微米，最高精度可达0.1微米。
【专利说明】高精度远距移测系统及用其测量位移、形变和长度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计量领域，尤其涉及一种高精度远距移测系统及用其测量位移、形变和长度的方法。
【背景技术】
[0002]长期以来，移测显微镜一直是高精度长度测量的常用方法。采用这种方法通常工作距离较近，视场较小，因而限制其适用范围。
[0003]为了实现远距离高精度长度测量，基于数字图像相关的位移测量系统应运而生。其基本原理是将预先制作的标记在物体运动前后的数字图像进行相关运算，以此计算出被测物体的位移量。
[0004]目前，采用数字图像相关方法移测位移系统在远距离工作情况下，通常分为两种情况:(1)采用显微装置对物体局部放大成像，然后进行移测相关运算。这种方法可以保证在较远工作距离的条件下获得较高测量精度。这种方法所获得的视场较小，且对物体成像位置较难调节。(2)对物体进行1:1或者缩小成像。在此条件下由于受到放大倍率与物体边界难以精确判定的影响，因此测量精度通常较为有限，假设物比像的放大倍率为N，误差单个像元尺寸为dx，则整个物体误差为Ndx。为了提高远距离移测精度，部分学者提出采用图像处理的方法判定边界，其基本思想是采用边界算子，如拉普拉斯算子等，提取图像边界，然后将图像边界进行相关运算。这种方法受到光照条件与边缘提取算法的影响，难以获得精确稳定的实验结果。
【发明内容】
[0005]为此，本发明提供了一种高精度远距移测系统及用其测量位移、形变和长度的方法，本发明通过使用两个图像传感器采集图像并进行相关运算，从而解决了放大倍率与物体边界难以精确判定的技术问题，从而显著提升了测量精度。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0007]一种高精度远距移测系统，包括位移平台、被测物体、第一图像传感器、第二图像传感器和计算机，所述位移平台上放置被测物体，所述第一图像传感器和第二图像传感器面向位移平台放置，所述第二图像传感器前端放置有瞄准目镜，所述第一图像传感器和第二图像传感器与计算机进行通讯，所述位移平台由驱动装置驱动进行移动，所述驱动装置由所述计算机控制；
[0008]被测物体在位移平台的带动下发生位移，在位移过程中，被测物体在第一图像传感器和第二图像传感器中的位置发生变化，并且始终位于第一图像传感器和第二图像传感器的视野之中。
[0009]优选的，还包括标记点所述标记点位于被测物体上或位于被测物体正下方的位移平台上。
[0010]优选的，还包括标记点所述标记点位于被测物体上或位于被测物体正下方的位移平台上所述第一图像传感器带有可变焦镜头。
[0011]优选的，还包括标记点所述标记点位于被测物体上或位于被测物体正下方的位移平台上所述驱动装置为步进电机。
[0012]使用上述系统测量物体长度和/或位移的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0013]S1、依据驱动装置行程确定系统放大倍率，并将其存储于计算机；
[0014]S2、瞄准物体边界并采集图像Al，然后采集被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机；
[0015]S3、在物体发生位移后，瞄准物体另一边界并采集图像BI，然后采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机；
[0016]S4、计算机根据S3、S4中采集的图像，计算出物体的长度和/或物体的位移。
[0017]优选的，所述步骤S2和S3之间还包括，驱动所述物体在第一图像传感器和第二图像传感器的视野之中移动。
[0018]优选的，S4中计算机根据S2、S3中采集的图像，确定发生位移前的物体边界和发生位移后物体另一边界的具体位置，并根据第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸和系统放大倍率，计算出物体的长度和物体的位移。
[0019]优选的，进行SI之前将标记设置于物体之上或设置于物体正下方的位移平台上，标记点与被测物体相对位置在测量过程中保持不变。
[0020]使用上述的系统测量形变的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0021]S1、将标记点置于被测物体之上，并将物体放置于步进电机上；
[0022]S2、依据步进电机行程确定系统放大倍率，并将其存储于计算机；
[0023]S3、瞄准物体特征区域并采集图像Al，采集被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机；
[0024]S4、为物体施加压力，在发生形变后，瞄准物体同一个特征区域并采集图像BI，采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机；
[0025]S5、计算机根据S3、S4中采集的图像，计算出物体的形变量。
[0026]优选的，所述特征区域为被测物体边界或被测物体上的标记点。
[0027]优选的，S5中计算机根据S3、S4中采集的图像，在已知第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸、系统放大倍率的基础上，计算出发生形变前后标记点的位移变化量。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]本发明提供一种高精度远距移测系统及用其测量位移、形变和长度的方法，本发明通过使用两个图像传感器采集图像并进行移测相关运算，可以解决了放大倍率与物体边界难以精确判定的技术问题。本发明的系统有多功能测量的优点，不仅可以测位移，也可以测量物体形变，并且具有测量距离远，放大倍数可任意设定，放大或缩小均可，测量精度高的特性。本发明在测量距离I米处，物像放大倍率为5:1情况下，测量精度达I微米，最高精度可达0.1微米。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1 一种高精度远距移测系统示意图。
[0031]其中:1-计算机，2-第一图像传感器，3-第二图像传感器，4-瞄准目镜，5-由步进电机驱动的位移平台，6-标记点，7-被测物体。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0033]在一个实施例中，如图1所示，一种高精度远距移测系统，包括位移平台5、被测物体7、第一图像传感器2、第二图像传感器3和计算机1，所述位移平台5上放置被测物体7，所述第一图像传感器2和第二图像传感器3面向位移平台5放置，所述第二图像传感器3前端放置有瞄准目镜4，所述第一图像传感器2和第二图像传感器3与计算机I进行通讯，所述位移平台5由步进电机驱动进行移动，所述步进电机由所述计算机I控制；
[0034]被测物体7在位移平台5的带动下发生位移，在位移过程中，被测物体7在第一图像传感器2和第二图像传感器3中的位置发生变化，并且始终位于第一图像传感器2和第二图像传感器3的视野之中。
[0035]优选的，还包括标记点6。
[0036]优选的，所述标记点6位于被测物体7上或所述标记点6位于被测物体7正下方的位移平台5上。
[0037]优选的，所述第一图像传感器2带有可变焦镜头。
[0038]一种测量物体长度、位移的方法，包括以下步骤:
[0039]S1、标记设置于物体之上或设置于物体正下方的位移平台上；
[0040]S2、依据步进电机行程确定系统放大倍率，并将其作为系统参数存储于计算机；[0041 ] S3、采用瞄准目镜瞄准物体左边界并采集图像Al，然后第一图像传感器采集被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机；
[0042]S4、在物体发生位移后，采用瞄准目镜瞄准物体右边界并采集图像BI，然后第一图像传感器采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机；
[0043]S5、计算机根据S3、S4中采集的图像，可确定发生位移前的物体左边界和发生位移后物体右边界的具体位置，在已知第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸、系统放大倍率的基础上，可计算出物体的长度和物体的位移。
[0044]优选的，所述步骤S2和S3之间还包括，驱动所述物体在第一图像传感器和第二图像传感器的视野之中移动。
[0045]一种测量形变的方法，包括以下步骤:
[0046]S1、将标记点置于被测物体之上，将物体放置于步进电机上；
[0047]S2、依据步进电机行程确定系统放大倍率，并将其作为系统参数存储于计算机；
[0048]S3、采用瞄准目镜瞄准物体左边界并采集图像Al，然后第一图像传感器采集物体的被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机；
[0049]S4、为物体施加压力，在发生形变后，采用瞄准目镜瞄准物体左边界并采集图像BI，然后第一图像传感器采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机；
[0050]S5、计算机根据S3、S4中采集的图像，已知第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸、系统放大倍率，可计算出发生形变前后标记点的位移变化量，从而计算出物体的形变量。
[0051]另一种测量形变的方法，包括以下步骤:
[0052]S1、将标记点置于被测物体之上，将物体放置于步进电机上；
[0053]S2、依据步进电机行程确定系统放大倍率，并将其作为系统参数存储于计算机；
[0054]S3、采用瞄准目镜瞄准物体标记点并采集图像Al，然后第一图像传感器采集物体的被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机；
[0055]S4、为物体施加压力，在发生形变后，采用瞄准目镜瞄准物体标记点并采集图像BI，然后第一图像传感器采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机；
[0056]S5、计算机根据S3、S4中采集的图像，已知第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸、系统放大倍率，可计算出发生形变前后标记点的位移变化量，从而计算出物体的形变量。
[0057]以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种高精度远距移测系统，其特征在于，包括位移平台、被测物体、第一图像传感器、第二图像传感器和计算机，所述位移平台上放置被测物体，所述第一图像传感器和第二图像传感器面向位移平台放置，所述第二图像传感器前端放置有瞄准目镜，所述第一图像传感器和第二图像传感器与计算机进行通讯，所述位移平台由驱动装置驱动进行移动，所述驱动装置由所述计算机控制； 被测物体在位移平台的带动下发生位移，在位移过程中，被测物体在第一图像传感器和第二图像传感器中的位置发生变化，并且始终位于第一图像传感器和第二图像传感器的视野之中。
2.根据权利要求1所述的一种高精度远距移测系统，其特征在于，还包括标记点所述标记点位于被测物体上或位于被测物体正下方的位移平台上。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度远距移测系统，其特征在于，所述第一图像传感器带有可变焦镜头，所述驱动装置为步进电机。
4.一种测量物体长度和/或位移的方法，其特征在于，使用权利要求1-4中任意一项所述的系统来测量物体长度和/或位移，包括以下步骤: 51、依据驱动装置行程确定系统放大倍率，并将其存储于计算机； 52、瞄准物体边界并采集图像Al，然后采集被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机； 53、在物体发生位移后，瞄准物体另一边界并采集图像BI，然后采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机； 54、计算机根据S3、S4中采集的图像，计算出物体的长度和/或物体的位移。
5.根据权利要求4所述的测量物体长度和/或位移的方法，其特征在于，所述步骤S2和S3之间还包括，驱动所述物体在第一图像传感器和第二图像传感器的视野之中移动。
6.根据权利要求5所述的测量物体长度和/或位移的方法，其特征在于，S4中计算机根据S2、S3中采集的图像，确定发生位移前的物体边界和发生位移后物体另一边界的具体位置，并根据第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸和系统放大倍率，计算出物体的长度和物体的位移。
7.根据权利要求6所述的测量物体长度和/或位移的方法，其特征在于，进行SI之前将标记设置于物体之上或设置于物体正下方的位移平台上，标记点与被测物体相对位置在测量过程中保持不变。
8.一种测量物体形变的方法，其特征在于，使用权利要求1-4中任意一项所述的系统来测量物体的形变，包括以下步骤: 51、将标记点置于被测物体之上，并将物体放置于步进电机上； 52、依据步进电机行程确定系统放大倍率，并将其存储于计算机； 53、瞄准物体特征区域并采集图像Al，采集被测物整体的图像A2，并将两幅图像传输至计算机； 54、向物体施加压力，在物体发生形变后，瞄准物体同一个特征区域并采集图像BI，采集被测物整体的图像B2，并将两幅图像传输至计算机； 55、计算机根据S3、S4中采集的图像，计算出物体的形变量。
9.根据权利要求8中所述的测量物体形变的方法，其特征在于，所述特征区域为被测物体边界或被测物体上的标记点。
10.根据权利要求9所述的测量物体形变的方法，其特征在于，S5中计算机根据S3、S4中采集的图像，在已知第一图像传感器和第二图像传感器的CCD像元尺寸、系统放大倍率的基础上，计算出发生形变前后标记点的位移变化量。
【文档编号】G01B11/02GK104482861SQ201410741689
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】王云祥, 周罡, 史苏娟, 郭郑来, 周皓 申请人:苏州市计量测试研究所