CN114812402A - 一种同轴位移检测的光学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同轴位移检测的光学方法，该方法用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆圆形的标记图案，在图案中两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；激发光自探头出射形成锥形光束，光束的直径随离探头的同轴距离增加而增大；标记图案上被激发光覆盖的圆形区间内的两种荧光材料被激发出荧光，荧光中包含分别源于两种荧光材料的两个波段，两个波段的光强的比例随标记图案到探头的同轴距离而改变；从而，通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面相对探头的同轴位移。本发明给出了检测被测物体相对于探头的同轴位移的方法，具有抗干扰、高精度、低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学探测技术领域，具体是涉及一种同轴位移检测的光学方法。
背景技术
光测技术中，物体沿探头轴向的位移称为同轴位移。测量物体到探头距离以及物体相对于探头同轴位移的光学传感技术主要有反射式、色散式、干涉式几种原理，干涉式位移传感的量程一般在微米级，量程能达到厘米级的只有反射式、色散式传感技术。
反射式同轴测量是将一束光由探头正入射到被测物体表面，自物体表面反射回来的光又进入探头，因为光束在传输过程中自然地发散，在探头的出射光强度稳定的前提下，探头接收的反射光强度单调地依赖于物体表面光反射位置到探头的距离。这种技术设备成本较低，缺点是容易受环境因素干扰，导致稳定性较差。
色散式同轴测量使用强色散特性的镜头，以平行光为例，不同波长的光的焦距不同。被测物体经镜头成像，物体反光面到镜头的距离不同，对应于不同的像的颜色。这种技术精度较高，缺点是使用的探头包括镜头比较昂贵。
本发明提出一种同轴位移检测的光学方法，该方法利用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆标记图案，探头出射的激发光锥形光束直径随远离探头的距离而逐渐增大，标记图案上被激发出的荧光中两种荧光材料发光强度的比例随距离而改变，从而通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面和探头之间的距离。与前述的反射式及色散式同轴位移测量方法相比，本发明兼具抗干扰、高精度、低成本的优点。
发明内容
本发明目的在于提供一种同轴位移检测的光学方法，该方法既与其它光测同轴位移方法一样可以无线测量，另外又兼具其它各方法的优点包括抗干扰、高精度、低成本。而这些优点在其它方法中是互相抵触的。
本发明技术方案如下：
一种同轴位移检测的光学方法，该方法包括用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆圆形的标记图案，在图案中两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；激发光自探头出射形成与探头同轴的锥形光束，光束的直径随离探头的同轴距离增加而增大；标记图案上被激发光覆盖的圆形区间内的两种荧光材料被激发出荧光，荧光中包含分别源于两种荧光材料的两个波段，两个波段的光强的比例随标记图案到探头的同轴距离而改变；从而，通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面相对探头的同轴位移；具体步骤如下：
步骤一、选取两种不同荧光色的荧光材料，并根据它们的发光特性，选用合适的激发光波长，通过控制两种荧光材料的荧光波长的差距，以调节位移检测的灵敏度；
步骤二、用所述荧光材料在待测位置变化的被测物体表面涂覆，形成圆形的标记图案，圆形的标记图案与探头同轴，两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；
步骤三、激发光光源发出的光经过所述探头被整形成为锥形光束，光束与探头同轴、投射到标记图案上，激发出被投射区间内荧光材料的荧光；
步骤四、测量和记录被测物体到所述探头的轴向距离变化时的荧光光谱，并根据各荧光光谱计算荧光特征，标定出荧光特征与轴向距离的关系函数；其中，所述荧光特征包括荧光的颜色参数、荧光强度比、荧光谱重心波长和荧光强度；
步骤五、将涂覆了所述标记图案的被测物体置于所述探头的轴向未知距离处，用步骤三所用的激发光锥形光束激发出所述标记图案上被投射区间的荧光，测算它的荧光特征，代入由步骤四所得到的关系函数，得到待测同轴位移。
本发明的实质是将空间中的位移转换为荧光光谱的频移；光谱学检测的稳定性、高精度传递到位移检测上，使得位移检测具有抗干扰、高精度的特点；作为传感信号的荧光特征包括荧光强度相关的各项特征，不考察荧光波长时，荧光强度的测量是低成本的；仅考察荧光强度时，本发明技术兼容反射式同轴测量技术方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明既与其它光测同轴位移方法一样可以无线测量，另外又兼具其它各方法的优点包括抗干扰、高精度、低成本。
附图说明
图1为本发明填充标记图案的两种荧光材料的荧光光谱，其中，标记为A、B的波段分别源于荧光材料A与荧光材料B；
图2为本发明的一种标记图案的示意图；
图3为本发明的轴对称光路正视与俯视示意图；
图4为荧光特征与位移的关系图例及实际标定的传感方程。
具体实施方式
以下配合附图对本发明的优选实例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。
本发明实施例提供的一种同轴位移检测的光学方法，具体是借助荧光信号无线地测量一个被测物体上的荧光标记图案相对于探头的同轴位移的一种方法。该方法具体步骤如下：
步骤1、选取两种不同荧光色的荧光材料，记为荧光材料A和荧光材料B，它们的荧光处于不同波段，如图1所示，分别标记为A、B；波长为405nm的短波激发光能同时激发出荧光材料A和荧光材料B的荧光；
步骤2、用非荧光性的胶粘剂将荧光材料A和荧光材料B涂覆到被测物体的表面，形成如图2所示的圆形的标记图案，标记图案中A、B标记的部分分别涂覆荧光材料A和荧光材料B，使得荧光材料A和荧光材料B的填充比沿圆形的径向单调变化，荧光材料A的填充比沿径向减小、荧光材料B的填充比沿径向增大；如果被测物体本身在405nm光的激发下是荧光活性的，则可以用空白裸漏区代替荧光材料A或荧光材料B的涂覆部位；
步骤3、如图3所示，布置轴对称光路，探头、激发光束、标记图案三者同轴，其中，激光器发出的激发光经过探头整形后呈锥形光束；激发光投射到标记图案上，虚线圆形标示的投射区间内的荧光材料被激发出荧光；标记图案相对于探头有轴向位移时，激发光束的投射区间随之改变范围大小，因为区间内荧光材料A和荧光材料B的填充比也随着投射区间半径大小变化而单调变化，从而返回、经过探头收集、被光谱仪检测的荧光中源于荧光材料A和荧光材料B的光强比例随标记图案的轴向位移单调变化；
步骤4、测量和记录标记图案上激发光束的投射区间的荧光光谱，并根据荧光光谱计算荧光特征作为位移传感信号，如图4所示的位移传感信号是荧光光谱上荧光材料B与荧光材料A的荧光峰峰值强度的比例值；荧光特征还可以是荧光材料A和荧光材料B的混合荧光的颜色参数、荧光材料A和荧光材料B的荧光积分强度比、荧光谱重心波长、荧光材料A和荧光材料B的总荧光强度；光谱仪也可以用其它的功能光路代替，例如，用滤光片分离出荧光中分别属于荧光材料A和荧光材料B的波段，测量这两个波段各自的光强，由除法电路计算荧光材料A和荧光材料B的荧光积分强度比这个荧光特征并输出电信号；当采用总荧光强度作为同轴位移传感信号时，该荧光特征不需要分辨两个荧光材料的波长，则相应的位移传感方式实际上与光反射式位移传感相同，或者说，本发明兼容了光反射式位移传感技术；当采用其它荧光特征作为同轴位移传感信号时，信号与激发光强度的涨落无关，相应地传感稳定性得到增强、精度得以提高；
步骤5、渐次改变被测物体相对探头的同轴位移，得到荧光特征与同轴位移的对应数据，拟合得到的关系函数就是标定出的位移传感方程，如图4所示的拟合多项式Y＝1.57-1.37X+0.36X2,其中Y是荧光特征，即荧光材料B与荧光材料A的荧光峰峰值强度的比例值，X是位移；位移传感的灵敏度是拟合曲线的切线斜率；灵敏度通过选择不同的荧光材料A和荧光材料B、控制荧光材料A和荧光材料B的荧光波长的差距来调节，以传感荧光信号是混合荧光的颜色参数为例，混合荧光的颜色是材料A荧光色和材料B荧光色的中间色，荧光波长的差距越大，则相同的位移对应越大的中间色变化，即更大的灵敏度；
步骤6、对于与探头轴向距离未知的被测物体，涂覆与前述相同的标记图案，在与前述相同的轴对称光路中激发出标记图案上被激发光投射区间的荧光，测算它的荧光特征，代入前述的位移传感方程，即得到待测轴向距离。
不局限与此，任何不经过创造性劳动想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书所限定的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种同轴位移检测的光学方法，其特征在于，该方法包括用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆圆形的标记图案，在图案中两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；激发光自探头出射形成与探头同轴的锥形光束，光束的直径随离探头的同轴距离增加而增大；标记图案上被激发光覆盖的圆形区间内的两种荧光材料被激发出荧光，荧光中包含分别源于两种荧光材料的两个波段，两个波段的光强的比例随标记图案到探头的同轴距离而改变；从而，通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面相对探头的同轴位移；具体步骤如下：
步骤一、选取两种不同荧光色的荧光材料，并根据它们的发光特性，选用合适的激发光波长，通过控制两种荧光材料的荧光波长的差距，以调节位移检测的灵敏度；
步骤二、用所述荧光材料在待测位置变化的被测物体表面涂覆，形成圆形的标记图案，圆形的标记图案与探头同轴，两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；
步骤三、激发光光源发出的光经过所述探头被整形成为锥形光束，光束与探头同轴、投射到标记图案上，激发出被投射区间内荧光材料的荧光；
步骤四、测量和记录被测物体到所述探头的轴向距离变化时的荧光光谱，并根据各荧光光谱计算荧光特征，标定出荧光特征与轴向距离的关系函数；其中，所述荧光特征包括荧光的颜色参数、荧光强度比、荧光谱重心波长和荧光强度；
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