CN103727890A - 高精度光学测微法及其测微装置 - Google Patents

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荆凯
王千
黄琢
李明
于粟
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Liaoning Dongke Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Liaoning Dongke Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种高精度光学测微法及其测微装置，本发明利用光线在镜面反射原理，把微小的物理变形放大，从而实现微小变形的测量。高精度光学测微计的主要元器件为镜面，在抵抗电磁干扰和耐久性上有其自身的优势，它具有对环境适应能力强和精度高的特点。

Description

高精度光学测微法及其测微装置
技术领域
 本发明涉及一种高精度光学测微法及其测微装置，属于在安全监测和测量领域。
背景技术
在安全监测和测量领域，常常对监测仪器的观测精度有一定的要求，如在混凝土大坝位移观测中，不同的部位要求位移量中误差应控制在0.3~2mm不等，而在精密零件生产、化学镀层厚度测量等方面，具有高观测精度的测量仪器测显得更为重要。随着科技的不断发展进步，高精度观测仪器问世的速度越来越快，就现有的仪器来看，其原理大部分是基于电阻、电容或者频率变化研制而成的传感器，而传感器的使用寿命取决于载体本身的材料，对于处在恶劣环境下工作的观测仪器，其内部材料很容易发生变形、变质而影响观测精度。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种高精度光学测微法及其测微装置，其目的是解决以往的装置所存在的容易受环境影响而影响测量精度的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种高精度光学测微法，其特征在于：该方法利用两个相对的镜面将入射光打在两镜面之间，在入射光改变一个微小角度的情况下，让入射光在两个镜面之间的不同反射点把这种微小改变成倍或数十倍的放大，从而把外界位移量与反射光线角度变化有机结合，以测量不易观察的微小变形，然后通过建立的关系式，把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量，实现测微过程。
把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量的关系式为：设光线发射端为a，两镜面间的距离为H，变形发生处为b，而变形发生处为b距离固定端a的距离为L；b’为变形发生处变化之后的位置；
当外界发生微变形量D时，测量***绕a端转动角度θ，光线与镜面1的夹角从α变化到β，此时有以下关系式成立：
bb’=D                         (式1)
tanθ=D/L                         (式2)
θ=α-β                           (式3)
设第n个反射点的位移量为C，则有以下公式成立：
nH/tan(α-θ)- nH/tanα=C                (式4)
展开之后的形式为：
nH(1+tanαtanθ)/(tanα-tanθ)-nH/tanα=C          (式5)
把 (式2)带入（式5），经简化后，可以得到微变形D和测量值C的关系式：
D=CLtanα/(C+nH/tanα+ nHtanα)             (式6)
测微计的精度控制取决于n、H和L，量程大小控制取决于L和α。
在镜面上设置有刻度。
实施上述的高精度光学测微法所用的高精度光学测微装置，其特征在于：该装置包括镜面相对的两面镜子，即上镜面和下镜面，上镜面和下镜面之间留有供光线反射的距离，在上镜面的一个角处设置有光线发射端。
在镜面上设置有便于读取数值的刻度。
优点及效果：
本发明提供一种高精度光学测微法及其测微装置，本发明利用光线在镜面反射原理，把微小的物理变形放大，从而实现微小变形的测量。高精度光学测微计的主要元器件为镜面，在抵抗电磁干扰和耐久性上有其自身的优势，它具有对环境适应能力强和精度高的特点。
本发明的高精度光学测微计应用光学全反射理论，即在入射光改变一个微小角度的情况下，不同反射点会把这种微小改变成倍或数十倍的放大，利用此原理把外界位移量与反射光线角度变化有机结合，测量不易观察的微小变形。通过建立的关系式，把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量，实现测微过程。此方法提高了观测精度，满足微变形监测的需求，使用的材料受环境影响小，耐久性强。
本发明原理简单、操作灵活、可移植性强，成果易实现，可根据用户需求选取参数，实现不同精度的测量。
附图说明：
图1为本发明的原理图；图中1为上镜面，2为下镜面，3为发射端。
图2也是本发明的原理图；
图3为观测量与实际位移量关系曲线。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示，本发明提供一种高精度光学测微法，该方法利用两个相对的镜面将入射光打在两镜面之间，在入射光改变一个微小角度的情况下，让入射光在两个镜面之间的不同反射点把这种微小改变成倍或数十倍的放大，从而把外界位移量与反射光线角度变化有机结合，以测量不易观察的微小变形，然后通过建立的关系式，把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量，实现测微过程。
如图2所示，把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量的关系式为：设光线发射端为a，两镜面间的距离为H，变形发生处为b，而变形发生处为b距离固定端a的距离为L；b’为变形发生处变化之后的位置；
当外界发生微变形量D时，测量***绕a端转动角度θ，光线与镜面1的夹角从α变化到β，此时有以下关系式成立：
bb’=D                         (式1)
tanθ=D/L                         (式2)
θ=α-β                           (式3)
设第n个反射点的位移量为C，则有以下公式成立：
nH/tan(α-θ)- nH/tanα=C                (式4)
展开之后的形式为：
nH(1+tanαtanθ)/(tanα-tanθ)-nH/tanα=C          (式5)
把 (式2)带入（式5），经简化后，可以得到微变形D和测量值C的关系式：
D=CLtanα/(C+nH/tanα+ nHtanα)             (式6)
测微计的精度控制取决于n、H和L，量程大小控制取决于L和α。在镜面上设置有刻度。
该装置包括镜面相对的两面镜子，即上镜面和下镜面，上镜面和下镜面之间留有供光线反射的距离，在上镜面的一个角处设置有光线发射端。
本发明可根据精度的需求，适当的选择以上参数，镜面的刻度可直接读取反射点的位移量，或采用CCD成像方式读取。如取H=100mm，L=50mm，α=45°，n=5，则在第五个反射点处可把微变形放大20倍左右，若观测点处位移量C的读数精度为1mm，则其计算微变形的精度可达到0.05mm，见表1，观测量与实际位移量关系曲线见图3。
表1              测微计计算成果表
C（mm） D（mm） 放大倍数 C（mm） D（mm） 放大倍数
1 0.04995 20.02 12 0.592885 20.24
2 0.0998 20.04 13 0.641658 20.26
3 0.149551 20.06 14 0.690335 20.28
4 0.199203 20.08 15 0.738916 20.3
5 0.248756 20.1 16 0.787402 20.32
6 0.298211 20.12 17 0.835792 20.34
7 0.347567 20.14 18 0.884086 20.36
8 0.396825 20.16 19 0.932287 20.38
9 0.445986 20.18 20 0.980392 20.4
10 0.49505 20.2 21 1.028404 20.42
11 0.544016 20.22 22 1.076321 20.44
本发明可应用于有高精度要求的变形测量中，如建筑物安全监测项目中的位移量监测，零件加工中孔径、表面粗糙度测量，以及化学工业中镀层厚度的测量等。经标定后也可应用于应力应变监测。
基于此研究成果采用相应加工工艺可制作成具有不同精度的传感器和测微仪器，可在大坝、桥梁、房建等建筑物的位移量安全监测中得到引用，也可应用于机械加工、冶金、化工等领域。

Claims (6)

1. 一种高精度光学测微法，其特征在于：该方法利用两个相对的镜面将入射光打在两镜面之间，在入射光改变一个微小角度的情况下，让入射光在两个镜面之间的不同反射点把这种微小改变成倍或数十倍的放大，从而把外界位移量与反射光线角度变化有机结合，以测量不易观察的微小变形，然后通过建立的关系式，把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量，实现测微过程。
2.根据权利要求1所述的高精度光学测微法，其特征在于：把镜面反射点位移量转化为外界实际变形量的关系式为：设光线发射端为a，两镜面间的距离为H，变形发生处为b，而变形发生处为b距离固定端a的距离为L；b’为变形发生处变化之后的位置；
当外界发生微变形量D时，测量***绕a端转动角度θ，光线与镜面1的夹角从α变化到β，此时有以下关系式成立：
bb’=D                         (式1)
tanθ=D/L                         (式2)
θ=α-β                           (式3)
设第n个反射点的位移量为C，则有以下公式成立：
nH/tan(α-θ)- nH/tanα=C                (式4)
展开之后的形式为：
nH(1+tanαtanθ)/(tanα-tanθ)-nH/tanα=C          (式5)
把 (式2)带入（式5），经简化后，可以得到微变形D和测量值C的关系式：
D=CLtanα/(C+nH/tanα+ nHtanα)             (式6)
。
3.根据权利要求2所述的高精度光学测微法，其特征在于：测微计的精度控制取决于n、H和L，量程大小控制取决于L和α。
4.根据权利要求2所述的高精度光学测微法，其特征在于：在镜面上设置有刻度。
5.实施权利要求1所述的高精度光学测微法所用的高精度光学测微装置，其特征在于：该装置包括镜面相对的两面镜子，即上镜面和下镜面，上镜面和下镜面之间留有供光线反射的距离，在上镜面的一个角处设置有光线发射端。
6.根据权利要求4所述的高精度光学测微装置，其特征在于：在镜面上设置有便于读取数值的刻度。
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