CN112880981B - 一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，通过对可移动夹具、运动***和和导轨***进行设计，使得被测件通过本发明所设计的调整架进行夹持时，一方面通过夹具等部件可以实现被测件的夹紧，另一方面通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，准确得到被测件腔长值。硬件部分主要包括：可移动夹具、运动***和导轨***。测量算法实现部分包括输入的写入、所需腔长值的计算和位置的移动、干涉图的采集和初始相位的解调。能够实现对多表面被测件的各表面一次性测量，无需涂抹消光材料，并可以自适应移动腔长位置，进一步降低测量成本。

Description

一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法

技术领域

本发明涉及一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，尤其是通过所设置的可移动夹具、运动***和和导轨***实现被测件的腔长的自适应调节及相位解调制的方法，适用于光学透镜的夹持、调整和测量。

背景技术

多表面透明光学平行平板具有较高的表面质量，其表面起伏在微米甚至纳米级，在光学***的设计和搭建过程中具有重要意义。使用波长移相干涉仪对该种被测件进行多表面的干涉测量是一种新兴的测量方法，测量精度很高。但是在对多表面透明被测件进行干涉图的采集时，因为各个表面都会反射各自的干涉信息，因此所采集得到的干涉图是多表面信息混叠的结果，无法被直接解调制，因此直接对多表面干涉图进行求解是十分困难的。

基于波长移相干涉原理，由于在波长调谐过程中对波长调谐量进行控制从而实现干涉的移相操作，因此采集得到的不同帧数下各个表面的干涉光强信号是具有不同的频率的，该频率与被测件各个表面到达干涉仪中的参考镜的光程是有线性关系的，可称为移相频率。被测件的前表面信号的光程在数值上等同于前表面到达参考镜后表面的距离，也称干涉腔长；被测件厚度变化信号的光程等于被测件的材料折射率与被测件的平均厚度之积，被测件的平均厚度可以通过螺旋测微器等方法实现简单地测量，材料折射率也是已知的；被测件后表面信号的光程等同于被测件的厚度变化信号的光程与腔长值之和。因此可以明显看到被测件的腔长位置的值对相位解调的实现具有十分重要的意义。

但是直接对腔长值的测量是十分困难的，因为被测件和参考镜均被夹持在夹具上，其高精度表面均禁止人为或机械触碰，并且夹具本身占有较大的体积，因此无法直接通过皮尺等工具直接对该值进行测量。

目前工业测量所采用的方法多为使用压电陶瓷硬件移相干涉仪对多表面被测件进行逐个平面的测量，在单次测量中对非被测表面涂抹凡士林或者相关消光材料以达到屏蔽该信号的目的，在对当前表面测量完成以后，对消光材料进行清洗和被测件的旋转，而后重复上述操作以实现各个表面的测量。在对干涉腔长进行测量的时候多数情况是使用皮尺等工具在被测件和参考镜夹具的外部，以估计的方法进行腔长值的获取。

但是该种方法的缺陷十分明显：

(1)使用硬件移相干涉仪无法对各表面信号的干涉频率进行控制；

(2)使用消光材料在其清洗和涂抹过程中容易对表面造成损伤；

(3)在被测件的旋转过程中容易纳入测量误差；

(4)无法实现多表面的一次性测量；

(5)无法得到被测件的前后表面之间的厚度变化信号；

(6)无法实现被测件腔长的自适应调节和测量。

基于以上所提及的目前的夹持方法的特性和不足，如何实现自适应调节腔长的多表面干涉测量方法成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，目的在于解决现有测量方法中的缺陷，特别是光学透镜在进行一次性干涉测量时的被测件腔长的自适应调节和测量问题。本发明所针对的夹持对象是多表面透明光学透镜，该种透镜的表面需要高精度测量从而对表面的形貌特性进行精确的重建和评定，因此需要尽可能地减少在测量过程中有可能纳入的测量误差，以及对被测件的干涉腔长进行准确测量。主要包括硬件部分和算法实现部分。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，通过对可移动夹具、运动***和导轨***进行结合，使得被测件通过可移动夹具的调整架进行夹持时，通过夹具部件对被测件的夹紧，并通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，从而获取被测件腔长值；采用的硬件部分主要包括可移动夹具、运动***和导轨***；采用的测量算法实现部分包括输入的写入、所需腔长值的计算和位置的移动、干涉图的采集和初始相位的解调。

优选地，在硬件部分的可移动夹具包括上夹具架体、安装螺柱、上夹具纵贯螺纹孔、下夹具架体、V形凸起、电机架安装孔、下夹具纵贯螺纹孔、电机架、压紧单元；

硬件部分的运动***包括电机、PLC、开关电源、测距传感器、人机界面以及各部分用于能源供应及数据传输的连接线；

硬件部分的导轨***包括导轨和齿条；

导轨两侧开有凹槽，分别与下夹具架体内部两侧的V型凸起进行卡紧和安装；在导轨上部中空的部分，***有齿条，***后可以在两侧进行焊接使之固连；在远离干涉仪的一端放置有涂抹消光材料的钢板，该钢板的纵向高度高于测距传感器的安装高度，钢板底端与导轨通过焊接固连；导轨的长度设置为至少300mm。

优选地，测量算法实现部分通过以下方式进行：

通过人机界面输入当前被测件的折射率和平均厚度，所针对的被测件厚度为5～40mm，被测件平均厚度通过螺旋测微器或其他测量工具进行测量，人机界面将当前被测件的折射率和平均厚度这两个数据传输到PLC中，通过PLC进行计算，计算过程表示为：

在PLC中所写入的待计算的腔长系数，即干涉腔长与被测件厚度光程的比值，所述被测件厚度光程为被测件平均厚度与折射率之积，考虑到实际测量需求，腔长系数设置为50，通过腔长系数该值的输入，计算出此时能够满足腔长系数为50时应设置的腔长值，因测距传感器所测量的是导轨上远离干涉仪的一端，以导轨总长度减去该值，即为当前的反向腔长值；然后将计算得到的结果以反向腔长值输出到电机，所述反向腔长值为导轨长度减去设置的腔长值的差值，电机进行运动的同时使用测距传感器进行当前距离的检测，并且，当测距传感器输出当前距离值与所设置的反向腔长值相同后，测距传感器停止发送脉冲信号，电机停止运动，判断为到达所需位置；而后通过干涉仪进行被测件干涉图的采集。

优选地，可移动夹具部分的压紧单元包括上压紧头内管、上压紧头外管、下压紧头钢管、压紧头；所述上压紧头内管一侧为中空的孔，内部开有内螺纹，与上夹具架体内部的上方的安装螺柱进行螺纹连接；所述上压紧头内管另一侧为一环形凸起薄片，外罩上压紧头外管；所述上压紧头外管一侧有向内凸起的环形薄片，卡在上压紧头内管外侧凸起薄片的上部，所述上压紧头外管另一侧为一圆形孔，内部开有内螺纹，与压紧头相应侧的外螺纹进行螺纹连接；所述压紧头一端为圆柱形凸起，该凸起外部加工有外螺纹，与上压紧头外管开有内螺纹孔的一侧进行螺纹连接以固连；所述压紧头另外一侧为一带有弧形的扁形板体，该板体的外侧粘贴有橡胶以实现对被测件的压紧；下压紧头钢管安装在上夹具架体的下方的安装螺柱上，下压紧头钢管一端为较细的中空圆柱，下压紧头钢管另一端为较粗的中空圆柱，并通过螺纹连接安装压紧头，下压紧头钢管的两端圆柱内部均开有内螺纹。

优选地，可移动夹具部分的上夹具架体上方开圆形通孔，其内部的正上方、左下方、右下方分别相隔60度的位置设置安装螺柱；所述的安装螺柱是开有外螺纹的螺柱，焊接在上夹具架体上方通孔内的相应位置；

所述的上夹具纵贯螺纹孔是开在上夹具架体下方两侧的螺纹孔，与下夹具纵贯螺纹孔形式相同，上夹具纵贯螺纹孔和下夹具纵贯螺纹孔的孔内安装开有外螺纹的螺杆以及配套螺母进行螺纹连接，使得夹具的两部分可以固连；所述的下夹具架体下方两侧向内凸起的部分为V形凸起，两侧分别设置一个，与导轨两侧相应位置开设的凹槽相连接，该凸起***凹槽进行活动；上夹具架体和下夹具架体的厚度至少为下夹具架体纵向高度的1.2倍。

优选地，可移动夹具部分的电机架的形制为不带上盖的箱体，在左右两侧开有圆形孔，以方便电机两侧的输出轴伸出；上方不带盖的箱壁的四角部分，分别开设有一个非贯穿的电机架安装孔，该孔为螺纹孔，与设置在下夹具架体上靠近中间的相应位置开设的通孔是形制相同的，以方便电机安装在电机架中，然后将电机架安装在下夹具架体的下方内部，并通过从上方穿入的螺杆和螺母进行螺纹连接，每一个孔配一个相应的螺杆和螺母，使得下夹具架体与电机架连为一体。

优选地，所述PLC可选用S7-200-224XP型号PLC，可以实现两路模拟量输入信号和电流脉冲输出，以施加在电机的伺服驱动器上驱动电机运动。所述的测距传感器可选用超小型激光测距传感器SKD-50S型号，与此同时应在导轨远离干涉仪的一端设置有涂抹高反射材料的钢板，该材料可以选择为1030-i0涂层材料，以配合激光测距传感器的工作，该钢板与导轨的末端平齐。测距传感器通过本身自带的数据线与PLC相连，PLC的电源来自开关电源，该开关电源可以根据实际的需求选用，优选地，本发明选用NDR-240系列转换器，该开关电源输入连接220V市电，24V输出端连接PLC的电源输入端，连接方式为导线。

优选地，运动***的PLC的电流输出端施加在电机的伺服驱动器上驱动电机运动；与此同时在导轨远离干涉仪的一端设置有涂抹高反射材料的钢板，以配合激光测距传感器的工作，该钢板与导轨的末端平齐；测距传感器通过本身自带的数据线与PLC相连，PLC的电源来自开关电源；

所述电机采用伺服驱动器或伺服电机，通过调整PLC的输出为高频脉冲输出方式以改变输出量以及控制电机的伺服驱动器，从而控制正反方向运动，伺服控制器通过导线连接到PLC的电流输出端，而后通过自带的连接线连接到伺服电机的输入端；所述伺服电机的电源输入端通过导线连接电源。所述电机优选采用SINAMICS V90伺服驱动器和SIMOTICSS-1FL6伺服电机，

优选地，所述电机安装在电机架的内部，电机两侧的输出轴顶端开有外螺纹，分别配套安装一个螺母，该螺母与齿轮之间放置有垫片，齿轮靠近电机的部分也有垫片，与输出轴上的轴肩紧贴；所述齿轮与齿条相啮合，通过电机带动齿轮的转动从而实现对夹具的移动；

所述的人机界面的电源输入端以导线与开关电源相连，该人机界面的输出端与PLC以自带数据线相连，数据传输方式为：

通过人机界面输入当前被测件的折射率和平均厚度，人机界面将当前被测件的折射率和平均厚度这两个数据传输到PLC中，通过PLC进行计算；计算结果以反向腔长值输出到电机，反向腔长值为导轨长度减去设置的腔长值的差值，电机进行运动的同时使用测距传感器进行当前距离的检测，并且当输出当前距离值与所设置的反向腔长值相同后，停止发送脉冲信号，使电机停止运动，判断为到达所需位置。所述人机界面优选采用DOQ-103WQ。

优选地，采集帧数设定为16帧，所述的采集干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n₁进行采集过程中的波长调谐量Δλ的计算，其中调谐系数N值选择为8，λ₀为初始波长值，选定为632.8nm，具体计算过程如下：

根据上式可知，在已知被测件材料折射率和平均厚度后便计算出上述调谐量，将上述调谐量输入到干涉仪中进行干涉图的采集；采集后的干涉图通过干涉仪自带数据线连接到计算机中进行相位解调运算；所采用的相位解调算法如下：

采集得到的干涉图进行下式的计算，便得到各个表面的初始相位

i＝f,r,f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号：

其中Z为总的采集帧数，选择为16，I(k)为采集到的第k帧干涉图的光强值，k为干涉图的帧序数，k＝1,2……16；a_i(k),b_i(k)分别是三个信号的加权计算的权值，由下式确定：

在权值计算式中的n为前表面、后表面和厚度变化信号的信号频次，对于厚度变化信号，n值为1；对于前表面信号，n值为2；对于后表面信号，n值为前表面信号频次加1；其中W(k)为窗函数，为了获得更好的采样性能，采取一种海明窗和三角窗的组合，其形式如下：

在完成上述计算以后，经消倾斜和解包裹后，便得到前表面、后表面、厚度变化信号的实际初始相位，分别对应的实际初始相位为θ_f,θ_r,θ_f-r，下式h代表当前所需的腔长值，w_f，w_r，w_f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号的微观面形分布：

完成微观面形分布计算以后，待测件的各表面的测量便完成了。

本发明的原理：

通过对可移动夹具、运动***和和导轨***进行设计，使得被测件通过本专利所设计的调整架进行夹持时，一方面通过夹具等部件可以实现被测件的夹紧，另一方面通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，准确得到被测件腔长值。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明能够实现对被测件的多表面一次性干涉测量，该种测量是非接触式的；

2.使用本发明所设计的***进行被测件的腔长调整，避免了在多次夹持位置和人为进行被测件移动的过程中纳入测量误差的可能；

3.本发明无需对表面倾斜进行多次调整和消光材料的清洗，并且避免了传统调整架需要多次对被测件夹持和取下的操作，进一步降低测量成本；

4.本发明通过简便的加权运算便可以得到各表面的初始相位，过程简单可靠，具有较高的操作性和实用性。

附图说明

图1是上夹具架体示意图。

图2是下夹具架体示意图。

图3是电机及其安装装置示意图。

图4是压紧单元示意图。

图5为流程图。

其中，各图示代号的含义为：

1.上夹具架体；2.安装螺柱；3.上夹具纵贯螺纹孔；4.下夹具架体；5.V形凸起；6.电机架安装孔；7.下夹具纵贯螺纹孔；8.电机架；9.电机；10.齿轮；11.导轨；12.齿条；13.上压紧头内管；14.上压紧头外管；15.下压紧头钢管；16.压紧头。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明通过对可移动夹具、运动***和和导轨***进行设计，使得被测件通过本专利所设计的调整架进行夹持时，一方面通过夹具等部件可以实现被测件的夹紧，另一方面通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，准确得到被测件腔长值。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，通过对可移动夹具、运动***和导轨***进行结合，使得被测件通过可移动夹具的调整架进行夹持时，通过夹具部件对被测件的夹紧，并通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，从而获取被测件腔长值；采用的硬件部分主要包括可移动夹具、运动***和导轨***；采用的测量算法实现部分包括输入的写入、所需腔长值的计算和位置的移动、干涉图的采集和初始相位解调。

本实施例方法所针对的夹持对象是多表面透明光学透镜，该种透镜表面需要高精度测量从而对表面形貌特性进行精确的重建和评定，因此需要尽可能地减少在测量过程中有可能纳入的测量误差，以及对被测件的干涉腔长进行准确测量。主要包括硬件部分和算法实现部分。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1-图5，在硬件部分的可移动夹具包括上夹具架体1、安装螺柱2、上夹具纵贯螺纹孔3、下夹具架体4、V形凸起5、电机架安装孔6、下夹具纵贯螺纹孔7、电机架8、压紧单元；

硬件部分的运动***包括电机9、PLC、开关电源、测距传感器、人机界面以及各部分用于能源供应及数据传输的连接线；

硬件部分的导轨***包括导轨11和齿条12；

导轨11两侧开有凹槽，分别与下夹具架体4内部两侧的V型凸起5进行卡紧和安装；在导轨11上部中空的部分，***有齿条12，***后可以在两侧进行焊接使之固连；在远离干涉仪的一端放置有涂抹消光材料的钢板，该钢板的纵向高度高于测距传感器的安装高度，钢板底端与导轨11通过焊接固连；导轨11的长度设置为至少300mm。

在本实施例中，测量算法实现部分通过以下方式进行：

通过人机界面输入当前被测件的折射率和平均厚度，所针对的被测件厚度为5～40mm，被测件平均厚度通过螺旋测微器或其他测量工具进行测量，人机界面将当前被测件的折射率和平均厚度这两个数据传输到PLC中，通过PLC进行计算，计算过程表示为：

在PLC中所写入的待计算的腔长系数，即干涉腔长与被测件厚度光程的比值，所述被测件厚度光程为被测件平均厚度与折射率之积，考虑到实际测量需求，腔长系数设置为50，通过腔长系数该值的输入，计算出此时能够满足腔长系数为50时应设置的腔长值，因测距传感器所测量的是导轨11上远离干涉仪的一端，以导轨总长度减去该值，即为当前的反向腔长值；然后将计算得到的结果以反向腔长值输出到电机9，所述反向腔长值为导轨长度减去设置的腔长值的差值，电机9进行运动的同时使用测距传感器进行当前距离的检测，并且，当测距传感器输出当前距离值与所设置的反向腔长值相同后，测距传感器停止发送脉冲信号，电机9停止运动，判断为到达所需位置；而后通过干涉仪进行被测件干涉图的采集。最后本发明使用窗函数及解相算法进行初始相位的解调制。

在本实施例中，参见图1-图4，可移动夹具部分的压紧单元包括上压紧头内管13、上压紧头外管14、下压紧头钢管15、压紧头16；所述上压紧头内管13一侧为中空的孔，内部开有内螺纹，与上夹具架体1内部的上方的安装螺柱2进行螺纹连接；所述上压紧头内管13另一侧为一环形凸起薄片，外罩上压紧头外管14；所述上压紧头外管14一侧有向内凸起的环形薄片，卡在上压紧头内管外侧凸起薄片的上部，所述上压紧头外管14另一侧为一圆形孔，内部开有内螺纹，与压紧头16相应侧的外螺纹进行螺纹连接；所述压紧头16一端为圆柱形凸起，该凸起外部加工有外螺纹，与上压紧头外管14开有内螺纹孔的一侧进行螺纹连接以固连；所述压紧头16另外一侧为一带有弧形的扁形板体，该板体的外侧粘贴有橡胶以实现对被测件的压紧；下压紧头钢管15安装在上夹具架体1的下方的安装螺柱2上，下压紧头钢管15一端为较细的中空圆柱，下压紧头钢管15另一端为较粗的中空圆柱，并通过螺纹连接安装压紧头16，下压紧头钢管15的两端圆柱内部均开有内螺纹。

在本实施例中，参见图1，可移动夹具部分的上夹具架体1上方开圆形通孔，其内部的正上方、左下方、右下方分别相隔60度的位置设置安装螺柱2；所述的安装螺柱是开有外螺纹的螺柱，焊接在上夹具架体1上方通孔内的相应位置；

参见图1，所述的上夹具纵贯螺纹孔3是开在上夹具架体1下方两侧的螺纹孔，与下夹具纵贯螺纹孔7形式相同，上夹具纵贯螺纹孔3和下夹具纵贯螺纹孔7的孔内安装开有外螺纹的螺杆以及配套螺母进行螺纹连接，使得夹具的两部分可以固连；所述的下夹具架体4下方两侧向内凸起的部分为V形凸起5，两侧分别设置一个，与导轨11两侧相应位置开设的凹槽相连接，该凸起***凹槽进行活动；上夹具架体1和下夹具架体4的厚度至少为下夹具架体4纵向高度的1.2倍。

在本实施例中，参见图2-图3，可移动夹具部分的电机架8的形制为不带上盖的箱体，在左右两侧开有圆形孔，以方便电机9两侧的输出轴伸出；上方不带盖的箱壁的四角部分，分别开设有一个非贯穿的电机架安装孔6，该孔为螺纹孔，与设置在下夹具架体4上靠近中间的相应位置开设的通孔是形制相同的，以方便电机9安装在电机架8中，然后将电机架8安装在下夹具架体4的下方内部，并通过从上方穿入的螺杆和螺母进行螺纹连接，每一个孔配一个相应的螺杆和螺母，使得下夹具架体4与电机架8连为一体。

在本实施例中，运动***的PLC的电流输出端施加在电机9的伺服驱动器上驱动电机运动；与此同时在导轨远离干涉仪的一端设置有涂抹高反射材料的钢板，该材料选择为1030-i0涂层材料，以配合激光测距传感器的工作，该钢板与导轨的末端平齐；测距传感器通过本身自带的数据线与PLC相连，PLC的电源来自开关电源；所述PLC实现模拟量输入信号和电流脉冲输出，以施加在电机9的伺服驱动器上驱动电机运动。该开关电源输入连接市电，输出端连接PLC的电源输入端，连接方式为导线。

所述电机9采用伺服驱动器或伺服电机，通过调整PLC的输出为高频脉冲输出方式以改变输出量以及控制电机的伺服驱动器，从而控制正反方向运动，伺服控制器通过导线连接到PLC的电流输出端，而后通过自带的连接线连接到伺服电机的输入端；所述伺服电机的电源输入端通过导线连接电源。

在本实施例中，参见图3，所述电机9安装在电机架8的内部，电机9两侧的输出轴顶端开有外螺纹，分别配套安装一个螺母，该螺母与齿轮10之间放置有垫片，齿轮10靠近电机9的部分也有垫片，与输出轴上的轴肩紧贴；所述齿轮10与齿条相啮合，通过电机9带动齿轮10的转动从而实现对夹具的移动；

所述的人机界面的电源输入端以导线与开关电源相连，该人机界面的输出端与PLC以自带数据线相连，数据传输方式为：

通过人机界面输入当前被测件的折射率和平均厚度，人机界面将当前被测件的折射率和平均厚度这两个数据传输到PLC中，通过PLC进行计算；计算结果以反向腔长值输出到电机9，反向腔长值为导轨长度减去设置的腔长值的差值，电机9进行运动的同时使用测距传感器进行当前距离的检测，并且当输出当前距离值与所设置的反向腔长值相同后，停止发送脉冲信号，使电机9停止运动，判断为到达所需位置。

本实施例方法能够实现对被测件的多表面一次性干涉测量，该种测量是非接触式的；使用本实施例方法进行被测件的腔长调整，避免了在多次夹持位置和人为进行被测件移动的过程中纳入测量误差的可能；本实施例方法无需对表面倾斜进行多次调整和消光材料的清洗，并且避免了传统调整架需要多次对被测件夹持和取下的操作，进一步降低测量成本；本实施例方法通过简便的加权运算便可以得到各表面的初始相位，过程简单可靠，具有较高的操作性和实用性。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，采集帧数设定为16帧，所述的采集干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n₁进行采集过程中的波长调谐量Δλ的计算，其中调谐系数N值选择为8，λ₀为初始波长值，选定为632.8nm，具体计算过程如下：

根据上式可知，在已知被测件材料折射率和平均厚度后便计算出上述调谐量，将上述调谐量输入到干涉仪中进行干涉图的采集；采集后的干涉图通过干涉仪自带数据线连接到计算机中进行相位解调运算；所采用的相位解调算法如下：

采集得到的干涉图进行下式的计算，便得到各个表面的初始相位

i＝f,r,f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号：

其中Z为总的采集帧数，选择为16，I(k)为采集到的第k帧干涉图的光强值，k为干涉图的帧序数，k＝1,2……16；a_i(k),b_i(k)分别是三个信号的加权计算的权值，由下式确定：

在权值计算式中的n为前表面、后表面和厚度变化信号的信号频次，对于厚度变化信号，n值为1；对于前表面信号，n值为2；对于后表面信号，n值为前表面信号频次加1；其中W(k)为窗函数，为了获得更好的采样性能，采取一种海明窗和三角窗的组合，其形式如下：

在完成上述计算以后，经消倾斜和解包裹后，便得到前表面、后表面、厚度变化信号的实际初始相位，分别对应的实际初始相位为θ_f,θ_r,θ_f-r，下式h代表当前所需的腔长值，w_f，w_r，w_f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号的微观面形分布：

完成微观面形分布计算以后，待测件的各表面的测量便完成了。

本实施例采用相位解调算法，通过简便的加权运算便可以得到各表面的初始相位，过程简单可靠，具有较高的操作性和实用性。

本发明上述实施例自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，通过对可移动夹具、运动***和和导轨***进行设计，使得被测件通过本发明所设计的调整架进行夹持时，一方面通过夹具等部件可以实现被测件的夹紧，另一方面通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，准确得到被测件腔长值。硬件部分主要包括：可移动夹具、运动***和导轨***。测量算法实现部分包括输入的写入、所需腔长值的计算和位置的移动、干涉图的采集和初始相位的解调。能够实现对多表面被测件的各表面一次性测量，无需涂抹消光材料，并可以自适应移动腔长位置，进一步降低测量成本。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：通过对可移动夹具、运动***和导轨***进行结合，使得被测件通过可移动夹具的调整架进行夹持时，通过夹具部件对被测件的夹紧，并通过运动***和导轨***对被测件的腔长进行自适应调整，从而获取被测件腔长值；采用的硬件部分主要包括可移动夹具、运动***和导轨***；采用的测量算法实现部分包括输入的写入、所需腔长值的计算和位置的移动、干涉图的采集和初始相位的解调；

在硬件部分的可移动夹具包括上夹具架体(1)、安装螺柱(2)、上夹具纵贯螺纹孔(3)、下夹具架体(4)、V形凸起(5)、电机架安装孔(6)、下夹具纵贯螺纹孔(7)、电机架(8)、压紧单元；

硬件部分的运动***包括电机(9)、PLC、开关电源、测距传感器、人机界面以及各部分用于能源供应及数据传输的连接线；

硬件部分的导轨***包括导轨(11)和齿条(12)；

导轨(11)两侧开有凹槽，分别与下夹具架体(4)内部两侧的V型凸起(5)进行卡紧和安装；在导轨(11)上部中空的部分，***有齿条(12)，***后可以在两侧进行焊接使之固连；在远离干涉仪的一端放置有涂抹消光材料的钢板，该钢板的纵向高度高于测距传感器的安装高度，钢板底端与导轨(11)通过焊接固连；导轨(11)的长度设置为至少300mm；

测量算法实现部分通过以下方式进行：

通过人机界面输入当前被测件的折射率和平均厚度，所针对的被测件厚度为5～40mm，被测件平均厚度通过螺旋测微器或其他测量工具进行测量，人机界面将当前被测件的折射率和平均厚度这两个数据传输到PLC中，通过PLC进行计算，计算过程表示为：

在PLC中所写入的待计算的腔长系数，即干涉腔长与被测件厚度光程的比值，所述被测件厚度光程为被测件平均厚度与折射率之积，考虑到实际测量需求，腔长系数设置为50，通过腔长系数该值的输入，计算出此时能够满足腔长系数为50时应设置的腔长值，因测距传感器所测量的是导轨(11)上远离干涉仪的一端，以导轨总长度减去该值，即为当前的反向腔长值；然后将计算得到的结果以反向腔长值输出到电机(9)，所述反向腔长值为导轨长度减去设置的腔长值的差值，电机(9)进行运动的同时使用测距传感器进行当前距离的检测，并且，当测距传感器输出当前距离值与所设置的反向腔长值相同后，测距传感器停止发送脉冲信号，电机(9)停止运动，判断为到达所需位置；而后通过干涉仪进行被测件干涉图的采集。

2.根据权利要求1所述自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：可移动夹具部分的压紧单元包括上压紧头内管(13)、上压紧头外管(14)、下压紧头钢管(15)、压紧头(16)；所述上压紧头内管(13)一侧为中空的孔，内部开有内螺纹，与上夹具架体(1)内部的上方的安装螺柱(2)进行螺纹连接；所述上压紧头内管(13)另一侧为一环形凸起薄片，外罩上压紧头外管(14)；所述上压紧头外管(14)一侧有向内凸起的环形薄片，卡在上压紧头内管外侧凸起薄片的上部，所述上压紧头外管(14)另一侧为一圆形孔，内部开有内螺纹，与压紧头(16)相应侧的外螺纹进行螺纹连接；所述压紧头(16)一端为圆柱形凸起，该凸起外部加工有外螺纹，与上压紧头外管(14)开有内螺纹孔的一侧进行螺纹连接以固连；所述压紧头(16)另外一侧为一带有弧形的扁形板体，该板体的外侧粘贴有橡胶以实现对被测件的压紧；下压紧头钢管(15)安装在上夹具架体(1)的下方的安装螺柱(2)上，下压紧头钢管(15)一端为较细的中空圆柱，下压紧头钢管(15)另一端为较粗的中空圆柱，并通过螺纹连接安装压紧头(16)，下压紧头钢管(15)的两端圆柱内部均开有内螺纹。

3.根据权利要求1所述自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：可移动夹具部分的上夹具架体(1)上方开圆形通孔，其内部的正上方、左下方、右下方分别相隔60度的位置设置安装螺柱(2)；所述的安装螺柱是开有外螺纹的螺柱，焊接在上夹具架体(1)上方通孔内的相应位置；

所述的上夹具纵贯螺纹孔(3)是开在上夹具架体(1)下方两侧的螺纹孔，与下夹具纵贯螺纹孔(7)形式相同，上夹具纵贯螺纹孔(3)和下夹具纵贯螺纹孔(7)的孔内安装开有外螺纹的螺杆以及配套螺母进行螺纹连接，使得夹具的两部分可以固连；所述的下夹具架体(4)下方两侧向内凸起的部分为V形凸起(5)，两侧分别设置一个，与导轨(11)两侧相应位置开设的凹槽相连接，该凸起***凹槽进行活动；上夹具架体(1)和下夹具架体(4)的厚度至少为下夹具架体(4)纵向高度的1.2倍。

4.根据权利要求1所述自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：可移动夹具部分的电机架(8)的形制为不带上盖的箱体，在左右两侧开有圆形孔，以方便电机(9)两侧的输出轴伸出；上方不带盖的箱壁的四角部分，分别开设有一个非贯穿的电机架安装孔(6)，该孔为螺纹孔，与设置在下夹具架体(4)上靠近中间的相应位置开设的通孔是形制相同的，以方便电机(9)安装在电机架(8)中，然后将电机架(8)安装在下夹具架体(4)的下方内部，并通过从上方穿入的螺杆和螺母进行螺纹连接，每一个孔配一个相应的螺杆和螺母，使得下夹具架体(4)与电机架(8)连为一体。

5.根据权利要求1所述自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：运动***的PLC的电流输出端施加在电机(9)的伺服驱动器上驱动电机运动；与此同时在导轨远离干涉仪的一端设置有涂抹高反射材料的钢板，以配合激光测距传感器的工作，该钢板与导轨的末端平齐；测距传感器通过本身自带的数据线与PLC相连，PLC的电源来自开关电源；

所述电机(9)采用伺服驱动器或伺服电机，通过调整PLC的输出为高频脉冲输出方式以改变输出量以及控制电机的伺服驱动器，从而控制正反方向运动，伺服控制器通过导线连接到PLC的电流输出端，而后通过自带的连接线连接到伺服电机的输入端；所述伺服电机的电源输入端通过导线连接电源。

6.根据权利要求1所述自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：所述电机(9)安装在电机架(8)的内部，电机(9)两侧的输出轴顶端开有外螺纹，分别配套安装一个螺母，该螺母与齿轮(10)之间放置有垫片，齿轮(10)靠近电机(9)的部分也有垫片，与输出轴上的轴肩紧贴；所述齿轮(10)与齿条相啮合，通过电机(9)带动齿轮(10)的转动从而实现对夹具的移动；

所述的人机界面的电源输入端以导线与开关电源相连，该人机界面的输出端与PLC以自带数据线相连，数据传输方式为：

通过人机界面输入当前被测件的折射率和平均厚度，人机界面将当前被测件的折射率和平均厚度这两个数据传输到PLC中，通过PLC进行计算；计算结果以反向腔长值输出到电机(9)，反向腔长值为导轨长度减去设置的腔长值的差值，电机(9)进行运动的同时使用测距传感器进行当前距离的检测，并且当输出当前距离值与所设置的反向腔长值相同后，停止发送脉冲信号，使电机(9)停止运动，判断为到达所需位置。

7.根据权利要求1所述自适应调节腔长的多表面干涉测量方法，其特征在于：采集帧数设定为16帧，所述的采集干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n₁进行采集过程中的波长调谐量Δλ的计算，其中调谐系数N值选择为8，λ₀为初始波长值，选定为632.8nm，具体计算过程如下：

根据上式可知，在已知被测件材料折射率和平均厚度后便计算出上述调谐量，将上述调谐量输入到干涉仪中进行干涉图的采集；采集后的干涉图通过干涉仪自带数据线连接到计算机中进行相位解调运算；所采用的相位解调算法如下：

采集得到的干涉图进行下式的计算，便得到各个表面的初始相位

i＝f,r,f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号：

其中Z为总的采集帧数，选择为16，I(k)为采集到的第k帧干涉图的光强值，k为干涉图的帧序数，k＝1,2……16；a_i(k),b_i(k)分别是三个信号的加权计算的权值，由下式确定：

在权值计算式中的n为前表面、后表面和厚度变化信号的信号频次，对于厚度变化信号，n值为1；对于前表面信号，n值为2；对于后表面信号，n值为前表面信号频次加1；其中W(k)为窗函数，为了获得更好的采样性能，采取一种海明窗和三角窗的组合，其形式如下：

在完成上述计算以后，经消倾斜和解包裹后，便得到前表面、后表面、厚度变化信号的实际初始相位，分别对应的实际初始相位为θ_f,θ_r,θ_f-r，下式h代表当前所需的腔长值，w_f，w_r，w_f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号的微观面形分布：

完成微观面形分布计算以后，待测件的各表面的测量便完成了。

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