专利名称：包括光学应变仪的远程位移传感器的装置及其系统的制作方法
技术领域：
本公开通常涉及具有多种应用的远程位移检测器。特别是，一个应用是用于材料试验中的应变测量装置。更具体的，本公开涉及可视光栅或光学光栅的使用，包括但不限于波动光栅，其表现出的变化响应于在位置中的变化，且涉及用于检测且解释这些变化的所述方法。
背景技术：
在现有技术中，应变测量装置是众所周知的。hstron，伊利诺斯工具制品有限公司的子公司，制备且出售各种应变测量装置及其他产品。在过去，通过使用装有阻力应变仪的夹式伸长计及最近的非接触视频伸长计来测量材料的压缩及伸长的性质。尽管对他们的预期目的适应性强，但夹式伸长计通常要求有经验的人大量的设置。同样的，尽管对他们的预期目的适应性强，但视频伸长计对相机运动、气流、焦距、动态变化、所述样品ζ方向的运动及在夹紧过程中该样品的位移是敏感的，为了避免这些错误可能要求引入补偿。视频伸长计应用通常要求精确测量该目标点的所述图心以至表现出相机像素的小碎片，因此要求复杂的图心处理以达到必须的子像素精确度。现有技术包括美国专利(发明人是Haywood，专利号是No. 7，047，819，题目为“样品的测试”)；美国专利(发明人是Roy Allen，专利号是No. 6，164，847，题目是“图像参数探测”(本申请的发明人))；美国专利(发明人为Sioup，题目为“网格应变仪”，专利号为 No.2，787，834) ；DE3120653 及 EP0255300。
发明内容
因此本公开的目标是提供远程位移检测器，例如，但不限于伸长仪，其可提供精确的结果，同时最小化大量的专业设置。更具体地，本公开的目标是提供这样一种远程位移检测器，其对由环境引致的错误不敏感，在大工作距离下是精确的(在一些实施例中提供的工作距离是所述测量精确度所要求的一千万倍)，且可在相对低成本下实施。通过提供远程位移传感器可达到这些目标及其它目标，其可作为具有两个相互重叠或相互覆盖的基底层的光学应变仪植入，例如，但不限于，薄膜。可用不同的实施例实施很多不同的可视光栅。在本公开的光学应变仪的典型实施例中，该底层包括相邻于在第一间距处具有第一平行线系列的第一光栅的参考波动光栅。该顶层包括在第二空隙处具有第二平行线系列的第二光栅。该第一和第二光栅彼此覆盖，且该两个光栅的合并(具有所述平行线的两个不同的间距，在波动光栅的第一个第二基频处)产生具有在恒定波长下类似正弦光栅的空间变化亮度的波动光栅。该底层的第一端与该样本相连且顶层的第二端(在第一端对面)与该样本相连从而当该样本受到拉伸时，该顶层沿着该底层滑动且改变由相互覆盖的第一和第二光栅所生成的该类似正弦波动光栅的空间相位。以线性维度表达的空间相(例如，由于相变引起的该波形的所述转换)的移动快于由该拉伸产生的在相对位移中的变化可达到光增益。在本发明公开的一些实施例中可达到的光增益因子是二十。该产生的波动光栅和参考波动光栅由光学传感器进行扫描且由算法进行分析，例如，但不限于， 用于测定空间相变的快速傅里叶转换(FFT)算法，从而测定在相对位移中的变化，从而能够计算计量长度的变化，因此能够计算在拉伸试验或相似试验过程中在样品上的拉伸。本公开的实施例产生了使用性质可能是伪随机的或周期性的重叠分量光栅的合并可视效果。通常，该光栅之一具有例如亮度、相、元素分布、颜色或其它参数，可对这些参数进行周期性调制。合并该分量光栅的意图是产生适合于在远距离进行远程查看的低空间频率可视效果；可视光栅的变化与在组合箔光栅之间的差分运动成正比；且可视效果具有如此的增益以至该位置依赖变化放大了在组合箔光栅之间的相对运动。进一步地，本公开的实施例可具有如下优点。第一，工作距离对测量分辨率的比例通常可像一千万比一那么大。第二，通常，该远程相机校准及位置稳定性与通常具有数百微米数量级校准公差的编码器读头相比不是决定性的，其数量级限制较弱。第三，可通常应用具有280微米特征(或相似的)的简易视频薄膜格子达到高精确度，像0.5微米。第四，由于本公开的典型实施例成本低，通�？扇衔么衅魇怯猛昙纯啥幕蛞淮涡缘�。第五， 在一些申请中，该摄像读头可在该相同的视角中同时解释多个箔传感器，无需使该箔传感器沿着与测量轴相同的方向。与现有技术相比，本公开的该高信噪比实施例由于两个因素通�？纱锏�。第一，本公开实施例使用覆盖大区域的基于相的目标阵列测量而非在所述样品上的少数单个标记的基于图心的亮度测量。为了识别和发现该标记的所述图心这样的离散标记通常要求一致的高图像对比。该标记图心主要由进一步减少单个标记或点可提供的位置样本数据的数量的标记的周边像素所驱动。本申请公开的实施例，在另一方面，通常利用重复目标阵列的平均相进行测量。进一步地，因为本发明实施例比较了已知严格耦合的在两个相似目标阵列之间的相对相差，所以可独立于相机方位追踪该相差。因此，由相机所见的该阵列的有效尺寸及形状可在该试验过程中变化。总之，本公开的实施例使动态波动条纹光栅能够无需考虑相机方位且在很低相机像素分辨率下在远距离处进行远程校准。已知参考光栅可邻近于该波动变化相光栅。该参考光栅通常在螺距和亮度曲线方面与所述合并的波动干涉光栅相同。这允许直接比较在受测对象的局部坐标空间中实施的在两个光栅之间的相对相移，而非依赖远程相机的该校准像素空间以仅单独追踪该动态波动光栅的相移。此外，在所述传感器处的位移测量实际上借助于局部波动像素进行而非在全部校准相机像素空间中进行。这通常消除或极大地减少了对该传感元素和该远程相机之间的持续稳定的光学环境的需求，如同对保持严格耦合、 校准的像素空间的需求一样。这个局部参考方法的进一步实施例可应用至可被制成对远程相机可视的其他相敏干涉光栅或干涉效果。这包括其中具有结构化相调制干涉的伪随机噪声光栅以产生相依赖光栅变化的干涉模式。
从接下来的描述和附图中，本发明进一步的目标和优点将更明显。图1是本公开的所述远程位移传感器的所述底层的主视图，其以光学应变仪实施。图2是本公开的光学应变仪的顶层的主视图。图3是本公开的光学应变仪的侧视图，示出了所述顶层和底层。图4是本公开的产生波动光栅的顶层和底层的光栅的概念视图，及用于举例目的的该波动光栅的第一和第二基频光栅的略偏移。图5是本公开的用于拉伸应变测量的所述系统的透视图。图6是在拉伸试验过程中接收来自本公开的应变仪的图像的光学传感器的放大图。图7是与拉伸试验样本相连的本公开的光学应变仪的透视图。图8示出光学应变仪亮度的条纹图段的局部相机图像。图9是通过伸缩在垂直轴中的图8的图像而产生的平均亮度对所述相机轴的图。图10是通过伸缩在垂直轴中的所述图像而产生的所述参考和活动碎片的平均亮度对相机轴的图像。图IlAUlB和IlC是示出了在本公开的光学应变仪上的刚性体及拉伸位移效果的连续视频图像的不变的图段。图12A-12B，13A-13B，14A-14B是三对附图，其列举了具有来自参考及活动条纹光栅的光学应变仪的视频图像部分及相应的参考和活动碎片的平均亮度图。图15是本公开的传感器的图像。
具体实施例方式现在参照附图进行详细说明，其中这几幅图中相同的数字指示相同的元素，可见图1-4列举了作为本公开的远程位移传感器的一个实施例的应变仪10的结构。图1和2 分别列举了该底层12和顶层14。底层12和顶层14通常是具有印刷光栅的薄的、柔韧的透明箔，但也可以使用其它基底，包括刚性基底。通常使用公认的图像设定技术或可随本申请的规格或尺寸变化的任何合适方法将该光栅以分辨率2540 (10微米每像素)印在箔上。底层12包括具有在波动光栅的第一基频处彼此隔开的平行线的第一光栅区域16，同时顶层 14包括具有在波动光栅的第二基频基频处彼此隔开的平行线的第二光栅区域18。第一和第二光栅区域16、18的非限定例子是以0. 20mm和0. 21mm彼此隔开的线。当在图4所示结构中顶层14在底层12上方时，这产生具有波长为4. 2mm的(近似的)正弦亮度(其被表征为调制亮度)的波动光栅。此外，当底层12和顶层14相对于彼此以轴向位移时(例如， 以垂直于第一和第二光栅区域16、18的所述平行线的方向运动)，该产生的波动光栅的所述空间相变(例如，由于相变，以线性维度表现的波形转换)是该相对位移的20倍从而产生光学增益。可通过第一和第二光栅区域16、18的平行线的不同间距达到其它光学放大。另外，除了波动光栅，还有可在底层和顶层12、14之间产生干涉效果的其他方法 (例如，调制亮度光栅)。优选地，用于产生干涉条纹光栅或可视效果的光栅应提供匹配于具体的远程相机像素尺寸和视角设定的效果(在给定相机像素空间内是清晰可见的)；提供指定目标增益；提供超出在传感器长度的条纹循环的指定目标数值；及在所述传感器箔的所述小的物理标度内实施。然而，以实际每英寸2540点的寻址率打印的二进制调制线光栅将不会提供所有的上述标准。因此，可能选择伪随机噪声调制用于提供条纹螺距的微调；改进信噪比；及抑制更多由合适的调制二进制光栅生成的正弦条纹。因此，伪随机光栅 (没有规则间距)如此进入通过调制该光栅的某些方面进行编码的信息以至当两个光栅彼此覆盖时生成低空间频率、位置灵敏干涉效应。在一般形式下，在每个基波光栅中的该固有顺序并不必须包括具有不变的间距的重复形，但也能作为应用于完全随机二维噪声光栅的小位置偏移(相移)的重复阵列所实施。在这个例子中，高度可视干涉光栅通过将好像只是随机噪声的两个分量光栅重叠而产生(像在电视图像中的“雪花”)。另一个例子是对每个光栅使用相同的基频基频，以便没有可视波动光栅存在(在该传感器的长度内)，及通过调制其中一个具有大嵌入符号的基波光栅以生成该干涉效果，所述符号的大小、形状和反复是用于生成优化惯例干涉效果的独立的设计因素。这些方法披露在美国专利(申请号为 No. 6, 164，847，发明人为Roy Allen，题目为“参数检测成像”，公开在2000年12月26日) 及美国专利(申请号为No. 6，022，巧4，发明人Roy Allen，题目为“应用平行线及镶嵌标记以警惕管理情报系统登记事件的操作者的位置错位探测技术”，发表在2000年2月8日)。能独立选择对干涉效果的增益、波长及基波光栅分辨率的优点包括1)提供比波动线光栅方法更高的增益用于给定波长以便允许该干涉效果的螺距或波长能适应较小的传感器几何形态而无需平衡增益及幻达到比波动线光栅方法更不精确的基波光栅增益以便在基底上实施该基波光栅更简单且更经济，例如通过打印。如图3所示，参考图7和15，连接底层12至拉伸测试样本100在光学应变仪第一端102处，同时连接顶层12至拉伸测试样品100在光学应变仪第二端104处。该连接通常由粘性物完成，但可以由其他方法完成，例如但不限于磁场连接。该非应变计量长度是在第一端102和第二段104之间的连接距离。任何应用的应变将改变所述应变长度且产生底层 12和顶层14的相对轴运动。在这个结构中，将由图5及图6的拉伸试验仪器1000引致在拉伸测试样本100上的拉伸。如图2所示，底层12进一步包括具有通过在第二基频的不变光栅上重叠第一基频的不变光栅而生成的不变(或者暂时静态的)波动光栅的第三光栅区域20。如图4所示， 这产生了在第三光栅区域20处的正弦亮度的不变或参考波动光栅(具有不变波长和空间相的静态光栅)，该第三光栅区域20邻近其中产生变化空间相而非恒定波长的波动光栅的第一和第二光栅区域16、18的覆盖图。将进行详细解释，第三光栅区域20的不变参考光栅简化并改善了由第一和第二光栅区域16、18的相互覆盖生成的所述空间相变的测定(例如，在底层12和顶层14之间的该相对轴位移的放大)及因此改善了测定拉伸测试样本100 的拉伸的图像处理的准确性。另外，对于生成代替第三光栅区域20的参考光栅有包括下面的几个替换方式。第一，其中一个基波活动光栅可用作参考。在这个替换方式中，来自相互覆盖基底的任何一个该活动光栅的基波分量可用于生成参考相。在这个例子中，该基波光栅分量应足够不精确从而在远程相机处是可分解的。这个替换方式的优点是该传感器的尺寸可被减小至大约一半，因此导致空间效率；现在通向远程相机的该光学路径对参考和活动碎片是相同的，其进一步最小化光学路径失真效果；且在避免校准错误方面是有改进的因为活动及参考碎片不再互相偏移。第二，该活动基波光栅的其中之一可用低频率参考进行调制。如在第一可选实施例中一样，这个第二可选方式仅使用两个基频，但具有进一步的优点即无须基波光栅对远程相机是可视的。然而，该基波光栅的其中之一用低频率参考光栅调制。该参考调制频率从该活动波动光栅的频率偏移。快速傅里叶转换、或相似算法从参考调制相数据分离出该活动波动条纹相数据由于在两者之间的频率偏移。第三，两个反向传播的活动光栅可用于取代活动光栅及参考光栅。该参考光栅的主要功能是消除远程相机运动及局部传感器刚性体运动的运动效应以便所有测量到的是在所述局部传感器上的两个物理接触点的位置变化。使用无任何静态参考光栅的两个反向传播的活动波动光栅可同样达到这个效果如果该光栅的移动与给定计量长度变化在相反方向上成正比且具有相同的增益或已知增益。该可选方法的优点是该测量获益于两个活动光栅的增益以便该全部条纹测量增益是双倍的。 之后提供关于参考光栅的进一步详情。如图1所示，底层12具有第一对目标点22、对和第二对目标点沈、28。顶层14具有第一目标点30，其初始置于目标点22J4之间且第二目标点32初始置于第二对目标点沈、观之间。这可提供用于图像处理的目标区域。在一些实施例中，在顶层12、底层14之间的相互覆盖范围之外可提供视频目标用于测量很大的拉伸或位置移位。如图5、6及7所示，具有相连的光学应变仪10的拉伸测试样本100由拉伸测试仪器1000的定位销1002和1004接合。将负荷施加至拉伸测试样本100上(因此产生压力) 且进行测量。同时，该光学应变仪10由LED空白1100(或相似的设备)所照明，同时远程查看相机1102生成光学应变仪10的图像及由第一和第二光栅区域16、18的覆盖图生成的该波动光栅，与第三光栅区域20的参考波动光栅一样，且提供该产生的图像至计算机1104 用于信号处理以测定在计量长度中的变化，且因此测定与压力相关的受测样本100的该拉伸。对所例举的远程查看照相机1102的一些应用可替代静止相机、人眼、线性照片传感器阵列或甚至卫星相机。参考图8-14B解释该图像处理。图8示出了光学检测亮度的条纹图段，如从提供该静态参考的第三光栅区域20检测到的一样。在本例及接下来的例子中，每个垂直像素具有范围从最大值200至最小值100的亮度数值(在这个例子中，特别选择落至范围0-255以内(如由8比特的数据所达到)如在很多视频图像中可得到的灰阶一样。当图像对垂直轴伸缩时(例如，同时增加数值50垂直像素，见图8的左手轴，且从产生的总和减50)，图9示出了所获得的参考亮度的平均亮度的线性图。当参考亮度与衍生自由第一光栅区域16和第二光栅区域18的覆盖图产生的所述活动波动光栅的相似曲线相比较时，相移(见图10) 可通过应用快速傅里叶变换(FFT)或相似方法至两个曲线(例如，可应用基于距相，4-相处理)来测定，且因此在计量长度中的变化及因此导致的拉伸可测定。当样本接触点(计量长度，见图3的元素102，104)进一步移动分开则在光栅之间的该相差将增加。刚性体运动，例如整个样本移动或相机振动，将赋予相同相移至两个波形且不会产生差分相位测量。 在光栅之间的该相差与在样本100中的拉伸相关。另外，为了测定是否大于360度的相移已经发生(相重叠)，该图像处理必须分析且比较该光学应变仪的连续图像。其他方法可用于解决相�：�。在本发明的另一个实施例中，配置该系统以提供在该覆盖基底处的样本拉伸点之外的准确的拉伸测量。在这个操作模式中，拉伸测量基于条纹光栅只要充分覆盖基底，然后转至计算基于可选光学应变仪特征例如点22，24，沈，28，30，32的条纹。当一个或多个该光栅(基频或参考光栅)可以高精确度通过石板印刷术实施，从而例如它的螺距成为已知空间参考，其中应用尺寸比例至由所述传感器查看设备进行的对所述相对位置的测量时，提供增强的绝对标度测量的实施例可达到。通过傅里叶方法处理该相移信息，例如，同样具有可提供对该相机可视的各种光栅螺距的高精确度实时测量的优点。在相机像素空间操作的该相图处理在相机像素单元中提供高精确相对测量，其适合很多应用例如拉伸测量。需要转换该相对相位测量至绝对位置值的应用要求使用在相机像素空间中可精确测量的可查看光栅中的已知可检测螺距。在该两箔某处的预测量特征(尺寸比例参考)的使用提供这个测量因子。优选地，该比例参考特征可以与相位测量同样的方式测量，因此包括重复的光栅分量，其可提供在该传感器的箔面处的对几个循环平均的平均螺距。可选的，将用作空间比例参考的光栅可生产为具有更多宽松的绝对比例公差且然后作为在生产过程中的最终步骤进行精确测量以记录对该给定检测器组件校准螺距值。这个校准值本身可被编码进入所述箔上的光栅，例如通过使用印在干涉光栅周围的不精确的棒码以便可由照相机远程读出。因此为在每个图像中直接对相机的那个参考(如果必须) 提供物理绝对标度参考和校准因子。借助于动态追踪尺寸比例参考所测量的螺距的变化且假设在传感器处的实际螺距是恒定的，该图像处理算法不受由于透镜振动、气流效应和透视图导致的相机失真的支配而保持绝对比例的准确性。例如，如果该相机相对于该计量长轴是倾斜的将产生所测量的螺距值减少。但是通过假设该螺距变化是人为的且相应的补偿测量可进行弥补。实际的传感器螺距变化的数量级，例如那些由于热膨胀的变化，通常是小于那些由相机滚动引致的数量级。图11A，11B示出了三个视频图像的序列。这显示了当欧士机(OSG)传感器图像移动通过它时的不变的图段(例如Iio乘400像素)。设计这些点103和105与该样本的物理接触端102、104—致，如图3所示。这限定了计量长度。两种运动形式是明显的。由于样本相对于相机移动(在这些图中未示出)存在该整个光学应变仪10的水平刚性体位移。 这刚性体运动或通用光栅模式运动并不是由于拉伸且因此必须从影响该拉伸测量中排除。 该参考光栅20的作用是追踪此运动以至其可从相位测量中移出。该其他形式运动是该样品接触点的拉伸(如点103、105所示)且因此该计量长度由于拉伸力应用至样本100(见图 3)使它在负荷下拉伸。该拟测量的拉伸仅是由点103、105所获得的(对应样本接触点)。 其它拉伸效应可超出该样本的长度发生(取决于该材料)其不影响在该接触点之间的拉伸。通过使用参考光栅20移除刚性体运动且不影响该端的结果。因刚性体运动将以同样方式影响所述箔，所以该刚性体运动可通过测量相对于在每个视频图像中的参考光栅的位置来解释。刚性体运动是动态的且能随每个视频图像变化如拉伸运动一样(见图12A，12B， 13A，13B，14A和14B)。因此，必须对每个视频光栅刚性体运动进行测定及测量且从拉伸引致的测量中移除，所以该结果不是错位的。这个通过参考光栅20可简化。作为示例，由于拉伸该位移在这些图中极大地放大了。因为该相互覆盖的箔独立的跟随该点103、105运动， 所以该差分拉伸运动产生该活动和参考区域如所示的分开。该活动的条纹光栅相，包括在顶箔和底箔之间的干涉(如元素16和18所示)，其与在计量长度的增加成正比地移动但由于波动效应具有光学放大因子从而引致大得多的条纹相移(条纹波形转换)。该光学放大因子被限定为条纹波形转换对两箔之间的物理转换的比例，两者均表现在同样的线性维度单元中。该图像对图像变成在活动及参考条纹光栅之间的相差(在图11A-11C中示出)且不受该相机的刚性体运动和光学拉伸测量支配捕获这个放大的拉伸位移。图12A和12B ；图13A和1 及图14A和14B示出了三个连续视频图像的另一个例子。所示的该图像图段是进入该整个视频图像的固定的窗口，举例为仅是足够大以捕获该欧式机条纹光栅的覆盖图段的很大部分。当样本在伸长负荷下拉伸时每个图像以时间顺序对应不同的点。在图12A中该初始视频图像是110x250相机像素图段，其包含每个条纹光栅为50x250的像素图段。这些光栅垂直地伸缩以产生在图12B中的对活动及参考条纹光栅的水平亮度波形。在这两个波形之间的该相移通过任何数量的方法进行测量，包括，但不限于快速傅里叶变换，以产生对那个特别图像的差示相位测量。该相移基本对应在该参考和活动相的波形峰之间的间隔偏移。假设图12A代表该测试的起点，则这个差示相位测量用于建立与零拉伸相关的在条纹光栅之间的初步偏移关系，当该测试初始时该负荷是零。在下一个测量时间间隔，该图13A和相应的图13B的视频图像示出存在这两个光栅的所述相位中指示的刚性体运动和由拉伸引致运动两者的分量。在图12A中由于刚性体运动该参考光栅已经略移。另外，活动光栅通过比图12A中更大的数量已经从参考光栅相移开。由于在图13A中样本计量长度的略增加该接下来的相移指示存在由运动引致的拉伸。在图13A和13B中的该计量增加计算如下初始偏移=图12A在测试初始的活动相减去参考相当前相偏移=图13A在第一次间隔处的活动相减去参考相拉伸相转换=当前相偏移减去初步偏移计量变化=拉伸相移乘以相对位置测量因子通过设计用于限定波动增益因子和条纹波长(螺距)两者的该传感器的该波动光栅建立该传感器相对位置测量因子。它基本是在位置单元(例如毫米)中在所述光学应变仪的表面处的波动干涉螺距对无单元波动增益的比例。因为这些设计特征是已知的所以可以使用它们通过所述处理算法来为高分辨率拉伸测量提供足够精确度的相对位置校对因子。这是因为拉伸是来自定义为具有零拉伸的起始点的相对测量因此不要求在该零度拉伸点以外的绝对位置测量。此外，在该零拉伸点处的计量长度测量通常仅要求绝对精确度为 0. 5%。然而，如果必须要进一步提高绝对测量精确度，可测量一个或两个这些波动设计特征作为在光学应变仪生产中的最后生产步骤以提供对每个生产单元的高精确度的单一值。 这些波动设计特征通常是成比例的相关因此在波动增益中的任何潜在变化可通过保持追踪条纹螺距而精确地测定。同样，为了进行不依赖于相机运动和方位的远程测量，可追踪该参考波形的螺距。相对位置测量因子的可选实施例是使用该参考波形的预测螺距作为绝对位置比例参考。该参考光栅的螺距是已知的且在创建该参考光栅的过程中提供。然后这个光栅在每个视频图像的像素空间中被再测量以建立该参考条纹的相机解释，在图13A和13B中以不精确的50像素所示。该相机螺距是在所述参考波形之间的间隙。最终，该拉伸相移测量可表达为这个当前视频螺距测量的比例。对每个视频图像的增益因子通过计算在该光学应变仪的所述表面的光栅处的所述已知校准螺距对同样螺距的所述视频图像测量的比例进行建立。该增益因子或相对位置测量因子则可用于将在相机像素空间的相位测量转换成在光学应变仪表面处的位置单元。以这种方式，在视频图像中的条纹光栅相的像素迁移可直接转换成在光学应变仪表面的实体位置迁移。因为拉伸相移通常表示为在像素中且相对位置测量因子通常表示为毫米每像素， 所以计量变化为测量单元，例如毫米或移动距离的数量。该目标是测量显著点的运动。对拉伸测量，这些单元不必校准为实体位置单元且可保持作为相对于限定起始位置的公制的比例。该增益因素可在每个图像中可能的变化。因此，可能有必要测定对每个图像的该增益因子。但是，通常，该增益因子将保持恒定或略变化。在具有噪声，例如多余的相机运动的系统中，该因子可在图像对图像基础上略变化。此外，该光学应变仪的一个实施例的目的是能在三维空间中的非常大的普通模式运动存在下为小位置变化提供精确测量。例如， 在粘性的“邦迪”结构中的一次性光学应变仪可置于具有复杂三维形状的样本上(例如，但不限于，涡轮叶片)其中，该形状在压力下动态变化。远程读取的普通位置传感器将迅速移出校准照相机视角(ζ-运动)。另外，普通传感器将要求该相机非常严格的固定。在普通传感器中的任何相机运动将直接产生位置测量错误。因此，应用一些数量的该图像对图像增益因子测量图像也可提供有用的优点，所以这也是可能实施的方法。同样，值得注意的是， 多重光学应变仪可同时用于测量各种项目。最后，对计量变化的测定提供所需结果。图14A示出了取自第二时间间隔的第三视频图像及同样被处理获得图14B以产生在光学应变仪表面处的计量变化测量。在活动及参考条纹光栅之间的随后差分相位测量大于在图13A和13B中示出的那个测量，因此指示该拉伸正在继续增加。另外，在图13B中存在由参考条纹光栅在超出其位置的额外迁移所指示的刚性体分量运动。该在图14A及14B 处该拉伸-引致计量增加计算为初始偏移=图12A在测试初始的活动相减去参考相当前相偏移=图14A在第二时间间隔处活动相减去参考相拉伸相移换=当前相偏移减去初步偏移计量变化=拉伸相移乘以相对位置测量因子对每个在序列中的视频图像执行相似的视频处理从而产生在指定时间间隔处的拉伸测量阵列。另外，该光学应变仪的通用实施例测量非常小的运动(例如，在拉伸测试过程中在计量长度中的变化)与在样品和远程查看相机1102之间的全部距离作比较(见图5和 6)。例如，值得注意的是，工作距离对精确度的比例，在一些实施例中，像一千万比一那么大。此外，该实施例允许子像素插入-在实际上小于远程查看相机1102乘以例如1000或更高的因子的单个像素的相机像素空间中的准确测量。像素是在照相机中的最小光聚集元素。该活动干涉光栅放大该运动且提供迅速的可查看图像以测定运动。在本实施例中，小的图像(例如，在1000像素照相机FOV长度之外的50像素)，可用于进行实际上仅超出单个像素直径很小部分的运动的测量。在一个实施例中，远程相机提供超出1000相机像素的图像长度的500毫米视角。使用在图像平面处的小规格传感器且其仅表现出在照相机空间中的50像素长图像。这个传感器的低像素分辨率图像可进行精确的位置测量甚至当该箔通过仅小部分单个相机像素长度实体移动时。该实施例通常使用该50像素图段解析至优于0.25微米以产生准确的子像素分辨率因子2000 1。该大的500毫米视角允许传感器以大的普通模式运动。可选的，该大的视角可用于查看在单个相机视角中的多个传感器。该波动干涉效应的所述高光学增益可用于提供以下改进的结合-位置位移精确度增加，相机FOV的增加(测量范围)，相机分辨率要求减少(低成本)；在远程查看相机 1102和该样品之间的距离增加(工作距离)。这由于该远程查看相机1102进行照相而非测量。这是由于对所述样本本地建立所述测量，借助于所述干涉光栅的给定状态及它们具有的排除了对包括该远程相机的物理坐标空间的需要的增益。所述远程查看相机因此在每个视频图像中(在给定时刻来自它的查看透视图的解释)仅进行相对条纹比较而非物理测量。这同样产生对外部物理因子不灵敏的非常高的信噪比。通过分析该图像得到该所需计算或测量，因此排除或减少了很多在先技术的缺陷。该相机像素分辨率仅需要充分地解析对快速傅里叶转换的干涉光栅。该远程查看相机1102不需要检测包括所述波动干涉的该精细光栅，所以与如果必须追踪精细图像特征例如对其他相机或度量衡方法是必须的相比，其可以是更低分辨率的相机。产生该放大干涉效应局部地发生在所述样本的特征是该严格测量通过这些光栅的相关系本地建立且因此不会由于在光学应变仪和样本之外在坐标空间内的通常位置和光学不稳定性而失真。换句话说，在光学应变仪10的平面处进行该测量。该视频相机仅需要解释比实际测量分辨率更不精确的一个或两个数量级的相关光栅变化。对上述公开有很多变形。尽管该远程移位检测器已经作为光学应变仪来举例，使用同样的基波原则的不同的实施例可包括远程位移检测器，其测量围绕地震断层的地壳运动。该传感器可通过卫星相机局部、远程、或甚至周期读取。相同的，该远程位移检测器可监视运动，其可包括在桥或其它结构上的拉伸引致运动，其也可能通过卫星相机本地远程或甚至周期监视。该远程位移传感器可以较小的比例实施以监视位置变化，其可包括在计算机芯片或相似的小的和/或精密仪器上拉伸引致运动，特别是在缓冲过程中、光学组件次装配生产及类似的。如前所述，其它变形可包括该参考光栅嵌入包括该活动波动条纹图段的该基波光栅的其中一个。在该方法中，一个箔或基底将既包含该波动对的该基频(频率1)又包含另外的具有不同频率的亮度调制分量(频率3 =参考波形)。其他箔或基底将保持活动波动对的第二基频(频率幻。这个结果是既产生具有光学放大的移动条纹光栅又产生跟随所述箔或基底的其中一个运动的静态参考光栅的略微复杂的条纹光栅。这提供了与在其他实施例中所述的分离参考光栅同样的功能。傅里叶变换是其中一个用于从活动干涉波形中分离该两个条纹频率的可能的方法。在本例中的该参考频率(频率幻可以是不同于活动条纹中的频率(波动频率)。将在参考分量的快速傅里叶相位测量(频率幻和波动频率分量 (波动频率)之间进行该相比较。该频率3的相位测量必须依两个频率(频率3和波动频率)的比例在做出所述比较之前来决定。该参考的嵌入通常仅生成一个条纹区域以在相机视角中评价因此允许减少在检测器中的尺寸；允许在相同的光学图像环境中处理所述参考和活动光栅；及当仅一个条纹碎片要处理时减少处理时间。额外的，在一些应用中，该应变仪10的实施例可用作传统板型应变仪的直接替换，其具有小的、经济的以薄的无源设备形式的一次性微型位置传感器。因此，它可作为传统应变仪应用于很多相同的应用中(例如，但不限于，压力或温度测量)但这些应用通常要求没有电线、本地前置放大器或精细地焊接到样子表面，且通常具有更大测量范围的数量级。 因此该几个前述目标和优点可被最有效的达到。尽管本发明的优选实施例已经被公开且在此进行了详细描述，但应该理解为不因此限定本发明，而其范围应由其所附加的权利要求的范围所决定。
权利要求
1.一种光学位移测量装置，其包括第一基底，其包括具有第一光栅的第一区域；第二基底，其包括具有第二光栅的第二区域；第二基底覆盖所述第一基底，其中第一光栅和第二光栅产生调制亮度光栅，将其与参考光栅比较以测定所述第一和第二基底相对于彼此的相对运动；及其中，设置及安排所述第一基底在第一连接点处与拟测量的表面相连且设置及安排所述第二基底在第二连接点处与拟测量的表面相连。
2.如权利要求1所述的光学位移测量装置，其中所述第一光栅包括第一基波频率，所述第二光栅包括第二基波频率且所述调制亮度光栅是波动光栅。
3.如权利要求2所述的光学位移测量装置，其中所述波动光栅具有波长由所述第一和第二基波频率决定的正弦亮度光栅。
4.如权利要求3所述的光学位移测量装置，其中所述第一和第二光栅是平行线光栅， 根据所述各自的第一和第二基波频率彼此隔开。
5.如权利要求3所述的光学位移测量装置，其中所述第一和第二基底的其中一个包括所述参考光栅，且其中所述参考光栅由所述第一和第二基波频率构成。
6.如权利要求5所述的光学位移测量装置，其中，所述参考光栅是暂时静态的(static over time)。
7.如权利要求6所述的光学位移测量装置，其中，所述参考光栅形成于具有所述第一光栅的第一区域与所述第二光栅的第二区域的覆盖图的邻近处。
8.如权利要求6所述的光学位移测量装置，其中，计量长度与在第一连接点和第二连接点之间的距离相等。
9.如权利要求8所述的光学位移测量装置，其中，在计量长度中的变化产生在所述波动光栅的相中的变化。
10.如权利要求9所述的光学位移测量装置，其中，在所述波动光栅中的所述相变产生与在计量长度中的所述变化成正比及大于在计量长度中的变化的转换。
11.如权利要求10所述的光学位移测量装置，其中，所述波动光栅的转换至少是在计量长度中的所述变化的20倍。
12.如权利要求9所述的光学位移测量装置，其中，所述光学位移测量装置的图像由相机捕获。
13.如权利要求12所述的光学位移测量装置，其中，所述光学位移测量装置的所述图像收缩成对所述波动光栅的第一亮度线性平面图及对所述参考光栅的第二亮度线性平面图。
14.如权利要求13所述的光学位移测量装置，其中，所述第一和第二亮度线性平面图由快速傅里叶算法进行分析因此测定对应在计量亮度中的变化的所述第一亮度线性平面图的相变。
15.如权利要求1所述的光学位移测量装置，其中，至少所述第一和第二基底的其中之一包括对追踪在计量长度中的变化的进一步计算的可视目标。
16.一种测量位移的处理方法，其包括传感器，所述传感器包括具有第一光栅的第一区域的第一基底及具有第二光栅的第二区域的第二基底，其中所述第一和第二区域的覆盖图生成调制亮度光栅，所述传感器进一步包括参考光栅；连接所述第一基底至样本上的第一点，连接所述第二基底至样本上的第二点，因此限定在所述样本上的第一和第二点之间的计量长度；测量调制亮度光栅与参考光栅的初步比较；产生在计量长度中的变化因此改变所述调制亮度光栅；测量在所述调制亮度光栅与所述参考光栅之间随后的比较；及计算基于所述初步比较及所述随后比较的在计量长度中的所述变化。
17.如权利要求16所述的处理方法，其中，所述第一光栅包括第一基波频率，所述第二光栅包括第二基波频率且所述调制亮度的光栅是波动光栅。
18.如权利要求17所述的处理方法，其中，所述波动光栅具有波长由所述第一和第二基波频率决定的正弦亮度光栅。
19.如权利要求18所述的处理方法，其中，所述第一和第二光栅是平行线光栅，根据各自的第一和第二基波频率彼此分开。
20.如权利要求18所述的处理方法，其中，第一和第二基底的其中之一包括所述参考光栅，且其中所述参考光栅由所述第一和第二基波频率形成。
21.如权利要求20所述的处理方法，其中，所述参考光栅是暂时静态的(staticover time)ο
22.如权利要求21所述的处理方法，其中，所述参考光栅形成于具有所述第一光栅的所述第一区域和具有所述第二光栅的所述第二区域的覆盖图邻近处。
23.如权利要求21所述的处理方法，其中，产生在所述计量长度中的变化的所述步骤产生在所述波动光栅的相移。
24.如权利要求23所述的处理方法，其中，在所述波动光栅的相变产生与在计量长度中的所述长度成正比或大于在计量长度中的所述长度的转换。
25.如权利要求M所述的处理方法，其中，所述波动光栅的转换至少是在计量长度中的所述变化的20倍。
26.如权利要求M所述的处理，其进一步包括捕获所述传感器图像的步骤。
27.如权利要求M所述的处理，其中，所述捕获所述传感器的图像的步骤由相机执行。
28.如权利要求沈所述的处理，其进一步包括伸缩所述光学位移测量装置的图像成为对所述波动光栅的第一亮度线性平面图和对所述参考光栅的第二亮度线性平面图。
29.如权利要求观所述的处理，其进一步包括由快速傅里叶转换算法分析所述第一和第二亮度线性平面图的步骤，因此测定对应在计量长度中的变化的所述第一亮度线性相变。
30.如权利要求16所述的处理，其进一步包括步骤在所述第一和第二基底的至少一个上提供可视目标以进一步计算在计量长度中的变化。
全文摘要
本公开涉及远程位移传感器，例如光学应变仪，其使用由光栅实施的光学放大器，例如，但不限于波动光栅，以计算在位置或计量长度中的变化。在该实施例中由具有波动光栅的应变仪实施，提供两个箔，下箔层具有由在第一光栅频率处具有平行线的第一光栅和在第二光栅频率处具有平行线的第二光栅的覆盖图产生的参考或静态波动光栅。该下箔进一步包括在第一基频处具有平行线的第一光栅的第一图段，同时该顶层具有在第二基频处具有平行线的第二光栅的第二图段。所述箔的相互覆盖产生该第一和第二图段的覆盖图因此产生与参考光栅相同的波动光栅。然而，所述两个箔的相对运动垂直于所述平行线，响应于对样本上拉伸响应的在计量长度中的运动，生成大于所述相对运动的在所述重叠光栅中的相变。所述光学应变仪的图像由相机或其它光学设备捕获且产生的图像通过快速傅里叶转换或相似的算法处理以测定所述相变，因此计算在计量长度中的所述变化及因此产生的拉伸。
文档编号G01D5/347GK102498368SQ201080040763
公开日2012年6月13日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月18日
发明者罗伊·D·艾伦, 马克·A·里特尔 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
