一种大口径横向微小位移测量装置的设计与应用

一种大口径横向微小位移测量装置的设计与应用

1距离观察和测量的方法在一些技术和科学工作中，通常需要测量物体的横向位移。尤其在进行物体热膨胀试验时,由于物体受热不均匀,需要对受热物体长度进行非接触式的精确测量。有时,这种横向位移非常微小,达到了1mm甚至1/10mm级别,而我们的观察点与被测物体又必须保持一定的距离,这就给观察和测量带来了很大的麻烦。采用激光、超声波等方法只能测量径向距离或位移,而对横向位移却无能为力。为了解决这一难题,我们设计了一套远距离观测、记录和分析物体横向微小位移的装置,并在一个重点项目中得到了应用,获得了较满意的效果。这套装置主要由光学放大、图像采集和位移分析三大部分组成。2大多数光学放射光谱放射2.1高温下．建筑物实际大变形的最大模在我们的实际应用中,主要是对50～100m距离上的建筑物进行观测,需要测量并记录下该建筑物在高温下的微小形变,其变化的最大值仅有几个mm。而要画出其在20～30min内的位移曲线,根据平均分布20～30个采样点的要求,测量精度至少要达到1/10mm。2.2放大倍数的制约人眼和一些普通光学器件的视场角是非常大的,因此人在适当距离上能够看清物体的全貌。在50～100m距离上,人眼将会看到一幅很大的场景,某一细节由于在所看到的场景中只占很小比例,将会因为分辨率过低而难以看清。为了看清远处的物体,人类发明了望远镜,其原理主要就是在人眼前形成一个远方物体的实像,人们看这个实像就相对容易些了。望远镜的独特构造使得其视场角相当狭窄,这样远处物体上的某处细节所成的像几乎可以占满整个人眼,人们很容易看清这一细节。然而,普通望远镜的放大倍数一般不超过100倍,无法满足我们苛刻的实验精度要求。天文望远镜的放大倍数可达几百倍,基本上能够满足我们对精度的要求。然而,放大倍数的增加将直接导致视场角的减小,轻微的抖动都会使目标丢失,所以使用时必须考虑增加防抖措施。天文望远镜分为折射式、反射式和折反式三种,它们只是光经过的路径不同,实际观察效果相差不大。放大倍数并不是判断天文望远镜好坏的主要标准。在放大倍数相同的情况下,其口径越大则入射的光线越强,成像亮度越高,越利于观察。当然,口径越大焦距越长,越不便于携带,因此大口径天文望远镜常采用折反式结构,可有效控制整体尺寸。我们采用的大口径折反式天文望远镜,口径在200mm以上,放大倍数最高达到了500倍。3图像采集部分3.1图像采集和数据处理远处物体经过望远镜放大几百倍后,细节虽然能看清,但要想用肉眼分辨出1/10mm的微小位移,只有借助一定的设备将图像采集下来,再对其进行分析处理。由于观测的横向位移量变化比较缓慢,需要累积到一定的变化量才能够达到允许记录值,所以采用了间断取样拍摄的方法。传统胶片相机照片处理比较繁琐,而摄像机静止图像分辨率过低,故都不予采用。在数码相机领域,单反相机较之消费类数码相机具有成像清晰、图像分辨率高等特点,是理想的选择。3.2注意使用的条件在图像采集的整个过程中,相机不允许有丝毫移动,否则会造成图像模糊不清、坐标原点丢失等严重后果。因此,必须为其安装牢固的三角架,在相机操作上也必须采用遥控或线控以减少震动。佳能、尼康等国际知名厂家分别为其旗下的数码相机量身定做了USB控制程序,使消费者可以像使用摄像头那样随意操控数码相机,这极大地方便了我们将其与计算机接驳。3.3外来成像图像的局部放就像拍摄天文图片一样,必须将数码单反相机与天文望远镜合理地对接,才能拍摄到清晰的建筑物局部放大的图像。拍摄图像其实就是拍摄远处物体发出的光线经望远镜反射、汇聚后形成的实像。相机与望远镜主要有两种连接方式,一种是不加镜头,使所成实像直接落在数码单反相机的CCD阵列上;另一种是加装相应的镜头,使汇聚光线经过镜头再在CCD上成像,以产生不同的拍摄效果。4位移分析部分4.1图像分辨率分析经过前两步工作,我们已经获得了具有较高分辨率的图像,并且通过数据线及时传送到了计算机中。我们研制了一套专用控制分析软件,一方面控制相机定时拍摄、传输图像,另一方面对图像进行分析处理。若采用1020万像素的相机,图像分辨率将达到3872×2592,在水平方向上将有3872个点。将望远镜的放大倍数调至400倍时,在规定50～100m距离上,视场内图像水平方向上的实际尺寸可控制在100～200mm,这样在水平方向上的观测精度将能达到100～200/3872,即0.0258～0.0516mm,完全满足0.1mm的使用要求。4.2参考点选取要测定物体的横向位移,必须在图像上确定一个或几个随物体一起移动的参考点。如果没有明显的独立特征点,我们常将参考点选在与位移方向垂直的边线上,此时参考点实际为一条参考线。对参考点的判定用到了邻域法和预测法,由于位移量较小且对变化规律有了较好的预见性,因此判定较为容易。5传统测量方法无法解决的问题本文通过一个工程实践的案例,提出了一种测量物体横向微小位移的方法,解决了在某