一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形装置及方法论文和设计-于连栋

全文摘要

本发明属于光学精密测量领域，公开一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形装置，包括待测标准球棒、恒温加热系统、多目标干涉装置和光谱仪，所述待测标准球棒两端各设置有一标准球分别作为多目标干涉装置的测量对象，所述恒温加热系统设置特定的温度，通过温度传感器反馈控制恒定温度；所述多目标干涉装置固定安装在粗波分复用器通道出口，利用粗波分复用器将光源分割为测量通道的数量，并且每个通道的输出具有其自己的滤波光谱；所述光谱仪作为信号接收器件，飞秒激光光源经过光环形器到达粗波分复用器，分割光路分别进行测量，干涉返回的光在粗波分复用器复合再经光环形器到达光谱仪接收。获得球棒根据温度变化的热变形量，对其精度进行标定。

主设计要求

1.一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形装置，包括待测标准球棒（6）、恒温加热系统、多目标干涉装置（5）和光谱仪（2），所述待测标准球棒（6）两端各设置有一标准球（10）分别作为多目标干涉装置（5）的测量对象，其特征在于，所述恒温加热系统设置特定的温度，通过温度传感器反馈控制恒定温度；所述多目标干涉装置（5）固定安装在粗波分复用器（4）通道出口，利用粗波分复用器（4）将光源分割为测量通道的数量，并且每个通道的输出具有其自己的滤波光谱；所述光谱仪（2）作为信号接收器件，飞秒激光光源（1）经过光环形器（3）到达粗波分复用器（4），分割光路分别进行测量，干涉返回的光在粗波分复用器（4）复合再经光环形器（3）到达光谱仪（2）接收，在光谱仪中得到不同波段信号在频域的干涉强度。

设计方案

2.根据权利要求1所述基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形装置，其特征在于：所述多目标干涉装置（5）将光源分为两个测量通道，每个测量通道末搭建干涉系统，分别测量分布于待测标准球棒两端的标准球（10）。

3.根据权利要求1所述基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一）构建干涉系统，以球棒标准件两端的标准球（10）之间的距离确定待测标准球棒（6）长度，干涉系统中固定待测标准球棒（6），在待测标准球棒（6）两端各搭建干涉系统；

步骤二）安装加热装置，将待测标准球棒（6）置于加热装置中，并在加热装置中加装温度传感器作为反馈，实时监测待测标准球棒（6）的真实温度；

步骤三）采集干涉信号，待测标准球棒（6）加热后，根据待测标准球棒（6）的材料选择加热起始点和加热间隔，控制待测标准球棒（6）在不同的温度值，分别采集该温度下的干涉光谱信号；

步骤四）根据光谱分辨干涉法计算待测标准球棒的形变量；

步骤五）建立待测标准球棒（6）热变形数据表，绘制形变量折线图。

4.根据权利要求3所述基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形方法，其特征在于：步骤一），干涉系统，包括耦合器（7）、半透半反镜（8）、凸透镜（9）以及待测标准球棒（6）两端的标准球（10），所述半透半反镜（8）两侧设有耦合器（7）、凸透镜（9），该干涉系统是以待测标准球棒（6）中心轴为光轴，两个标准球（10）为测量对象组成的Fizeau型干涉系统。

5.根据权利要求3所述基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形方法，其特征在于：步骤四），计算待测标准球棒（6）的形变量，先测量光谱信号分割，频率域干涉强度，将频域干涉强度变换成时域，提取光学路径时间延迟变量，相位解包裹值，求出距离。

6.根据权利要求3所述基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形方法，其特征在于：步骤五），根据不同温度下测量的待测标准球棒（6）与参考镜的距离差L，建立形变量ΔL数据表，并绘制折线图。

设计说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，尤其涉及一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形及方法。

背景技术

球棒是由低温度膨胀系数的杆件及两个高精度球体组成的一维标准器，其提供的标准距离为两球之间的球心距，球棒具有结构简单、便携、校准精度高等优点。在国际上，球棒及球棒变形类标准器广泛应用于关节臂式坐标测量机、激光跟踪仪、激光扫描仪以及照相式空间测量仪器等精密仪器的校准，是校准关节臂式坐标测量机长度测量示值误差的最佳一维标准器。当前球棒的杆件结构一般选用低膨胀系数的殷钢、碳纤维等材料以减小材料热变形，但除此之外，大部分研究未将球棒本身的热变形纳入研究内容，未考虑标准器热变形对测量及标定的影响。

光谱分辨干涉是在使用白光测量绝对路径中第一次提出色散干涉法的概念，可以通过搭建干涉系统记录两相干光的干涉，分析其干涉的光谱从而得到参考镜与测量物之间的距离差，最终得出待测物的绝对距离。

发明内容

本发明的目的是为了解决这一问题，利用光学频域干涉测量球棒在不同温度下的热变形量，提供一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形的方法，通过搭建光学干涉系统对球棒两边的标准球进行干涉测量，使用加热装置改变球棒的温度，测量温度稳定后的球棒两球之间的距离，从而获得球棒根据温度变化的热变形量，对其精度进行标定。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形装置，包括待测标准球棒6、恒温加热系统、多目标干涉装置5和光谱仪2，所述待测标准球棒6两端各设置有一标准球10分别作为多目标干涉装置5的测量对象，其特征在于，所述恒温加热系统设置特定的温度，通过温度传感器反馈控制恒定温度；所述多目标干涉装置5固定安装在粗波分复用器4通道出口，利用粗波分复用器4将光源分割为测量通道的数量，并且每个通道的输出具有其自己的滤波光谱；所述光谱仪2作为信号接收器件，飞秒激光光源1经过光环形器3到达粗波分复用器4，分割光路分别进行测量，干涉返回的光在粗波分复用器4复合再经光环形器3到达光谱仪2接收，在光谱仪中得到不同波段信号在频域的干涉强度。

优选地，所述多目标干涉装置5将光源分为两个测量通道，每个测量通道末搭建干涉光路，分别测量分布于待测标准球棒两端的标准球10。

一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形方法，包括如下步骤：

步骤一)构建干涉系统，以球棒标准件两端的标准球10之间的距离确定待测标准球棒6长度，干涉系统中固定待测标准球棒6，在待测标准球棒6两端各搭建干涉系统；

步骤二)安装加热装置，将待测标准球棒6置于加热装置中，并在加热装置中加装温度传感器作为反馈，实时监测待测标准球棒6的真实温度；

步骤三)采集干涉信号，待测标准球棒6加热后，根据待测标准球棒6的材料选择加热起始点和加热间隔，控制待测标准球棒6在不同的温度值，分别采集该温度下的干涉光谱信号；

步骤四)根据光谱分辨干涉法计算待测标准球棒的形变量；

步骤五)建立待测标准球棒6热变形数据表，绘制形变量折线图。

优选地，步骤一)，干涉系统，包括耦合器7、半透半反镜8、凸透镜9以及待测标准球棒6两端的标准球10，所述半透半反镜8两侧设有耦合器7、凸透镜9，该干涉系统是以待测标准球棒6中心轴为光轴，两个标准球10为测量对象组成的Fizeau型干涉系统。

优选地，步骤四)，计算待测标准球棒6的形变量，先测量光谱信号分割，频率域干涉强度，将频域干涉强度变换成时域，提取光学路径时间延迟变量，相位解包裹值，求出距离。

优选地，步骤五)，根据不同温度下测量的测标准球棒6与参考镜的距离差L，建立形变量ΔL数据表，并绘制折线图。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明通过搭建多目标干涉系统，同时测量球棒标准件两端的标准球距离，改变球棒的温度测量球棒的热变形量，对其精度进行标定。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明基于光谱分辨干涉法测量球棒的热变形方法的原理图。

图2为本发明基于光谱分辨干涉法测量球棒的热变形方法的Fizeau型干涉原理图。

图3为本发明基于光谱分辨干涉法测量球棒的热变形方法的球棒标准件的外部结构示意图。

附图标号：1.飞秒激光光源；2.光谱仪；3.光环形器；4.粗波分复用器；5.干涉系统；6.待测标准球棒；7.耦合器；8.半透半反镜；9.凸透镜；10.标准球。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

该基于光谱分辨干涉，搭设干涉光路，分别测量球棒在不同温度下的两球之间的距离，从而得到球棒在各温度下的形变量大小，绘制数据表。

如图1-3所示，一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形装置，包括待测标准球棒6、恒温加热系统、多目标干涉装置5和光谱仪2，所述待测标准球棒6两端各设置有一标准球10分别作为多目标干涉装置5的测量对象，所述待测标准球棒是三坐标测量机的一维标准器，无温度自补偿能力，随着温度的变化会产生一定的形变；所述恒温加热系统设置特定的温度，通过温度传感器反馈控制恒定温度，用来加热待测球棒并使其保持恒定温度；所述多目标干涉装置5固定安装在粗波分复用器4通道出口，利用粗波分复用器4将光源分割为测量通道的数量，并且每个通道的输出具有其自己的滤波光谱，即通过CWDM将光源按波段不同分割为所需的通道，每个通道对应测量不同的目标；优选地，所述多目标干涉装置5将光源分为两个测量通道，每个测量通道末搭建干涉光路，分别测量分布于待测标准球棒两端的标准球10。所述光谱仪2作为最终的信号接收器件，飞秒激光光源1经过光环形器3到达粗波分复用器4，分割光路分别进行测量，干涉返回的光在粗波分复用器4复合再经光环形器3到达光谱仪2接收，在光谱仪中得到不同波段信号在频域的干涉强度。

所述信号采集部是光谱仪，测量通道的干涉光通过耦合器进入粗波分复用器，经过光环形器输入光谱仪，在光谱仪中得到不同波段信号在频域的干涉强度。

一种基于光谱分辨干涉测量球棒的热变形方法，利用光学频域干涉测量球棒在不同温度下的热变形量，包括如下步骤：

步骤一)构建干涉系统，如图1所示，以球棒标准件两端的标准球10之间的距离确定待测标准球棒6长度，干涉系统中固定待测标准球棒6，在待测标准球棒6两端各搭建干涉系统；

如图2所示，干涉系统，包括耦合器7、半透半反镜8、凸透镜9以及待测标准球棒6两端的标准球10，所述半透半反镜8两侧设有耦合器7、凸透镜9，该干涉系统是以待测标准球棒6中心轴为光轴，两个标准球10为测量对象组成的Fizeau型干涉系统。

步骤二)安装加热装置，将待测标准球棒6置于加热装置中，并在加热装置中加装温度传感器作为反馈，实时监测待测标准球棒6的真实温度；

步骤三)采集干涉信号，待测标准球棒6加热后，根据待测标准球棒6的材料选择加热起始点和加热间隔，比如殷钢随温度变化较小，则选择加热间隔为5度，铝合金随温度变化较大，则选择加热间隔为1度；控制待测标准球棒6在不同的温度值，分别采集该温度下的干涉光谱信号；

步骤四)根据光谱分辨干涉法计算待测标准球棒的形变量；

计算测标准球棒6的形变量具体步骤为：

1)测量光谱信号分割

在所提出的多目标干涉光路中，多通道光谱干涉图由单个光谱仪捕获，在数据处理中，首先根据CWDM的规范划分不同频谱干涉的频谱范围，将每个通道的干涉频谱滤出，分别计算；

2)频率域干涉强度

由光谱仪观测到的频率传播的干涉强度用光谱功率密度G(ν)描述，它是一个与光频ν有关的函数：

G(ν)＝A(ν)+B(ν)cosφ(ν)

其中，φ(ν)为相位，均值密度A(ν)和调制幅度B(ν)直接与光源的光谱功率密度

S(ν)有关：

设计图

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