本發(fā)明系一種測量任一局部曲面半徑的方法與儀器，屬于光機電物理檢測設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前，公知檢測曲面半徑的方法中，三D掃描測量既可以完整測定正球體的半徑，也可以測量不規(guī)則物體物理特征，但需要較貴的掃描儀；而游標(biāo)卡尺或激光徑向測量適合完整球體的測量。本發(fā)明為測定任一局部區(qū)域曲面半徑提供方法與設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明系一種曲面半徑測量方法與儀器。

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

圖1至圖5為測量曲面半徑測量方法的工作原理示意圖；

圖6為曲面半徑測量儀立體視圖

圖7為曲面半徑測量儀附件圖

圖8為曲面半徑測量儀正前方視圖

圖9為圖8A-A剖視圖

圖10為曲面半徑測量儀上視圖

圖11為曲面半徑測量儀背面視圖

圖12為曲面半徑測量儀屏幕貼膜后背面視圖

圖13為曲面半徑測量儀定標(biāo)時屏幕視圖

圖14為曲面半徑測量儀測量時屏幕視圖

圖中 1a、1b、1c、1d光柵發(fā)生器 2球體 3 CCD攝像頭 4 主機 4.1 電池倉 4.2 電源開關(guān)4.3 主板倉 4.4 拍照按鈕 4.5 電纜接口 4.6 SD卡槽 4.7 顯示屏 4.8 暗室 4.9側(cè)壁 5 電池 6電纜 7 SD卡 8 刻度貼膜 9 定標(biāo)紙 9.1標(biāo)尺 a、b、c、d分別為光柵發(fā)生器 1a、1b、1c、1d的投影線 R為球體1b-1d軸向半徑 R'為球體1a-1c軸向半徑 α為光柵發(fā)生器與攝影平面的夾角 P為投影線a上的一點（point）， P'為投影線d上的一點 H0為CCD至成像平面垂直距離 0為上下垂線與攝影平面交叉點暨a、b、c、d投影線的交叉點 L1 為P點與上下垂線的實際距離 L1' 為P'點與上下垂線的實際距離 L0為L1在攝影平面上的投影距離 L0'為L1'在攝影平面上的投影距離 H為P點與攝影平面的實際垂直距離 H'為P'點與攝影平面的實際垂直距離 H1為H在球面實際投影點與上下垂線的實際距離 H1'為H'在球面實際投影點與上下垂線的實際距離 H2為H1在成像平面上的投影距離 H2'為H1'在成像平面上的投影距離 。

圖1所示，光柵發(fā)生器a的光柵在側(cè)面看呈一扇形，垂直照射至平面上則形成一直線投影（圖1A），當(dāng)光柵發(fā)生器1a與1c沿球體（2）1a-1c軸，光柵發(fā)生器1b與1d沿球體1b-1d軸在上方與攝影平面呈斜角α對稱放置時（圖2），則在 CCD攝像頭呈現(xiàn)a、b、c、d四條投影（圖2A）。圖3與圖3A在a投影上取點（point）P，則P點因為較攝影平面下降H距離，而在水平方向形成距離H1的實際投影，但對于CCD攝影平面來說，成像的投影距離則為H2，這樣，P點在上下垂線方向上的下降距離H轉(zhuǎn)化為水平上的實際位移H1，進而在攝影平面上顯示為H2（圖3A）。實現(xiàn)通過在水平方向測定的H2，并進而計算出實際H；

則Tantα=H/H1；H=Tantα×H1--------------------------------(1)

而成像H2與實際H1關(guān)系為：H2/H0=H1/(H0+H); H1=H2(1+H/H0)-------- (2)

(2)代入（1）則

H=Tantα×H2(1+H/H0);

H=Tantα×H2+Tantα×H×H2/H0；

H-Tantα×H×H2/H0=Tantα×H2;

H=Tantα×H2/(1-Tantα×H2/H0)------------------------------(3)

圖4、圖4A所示，投影線a上的P點在1b-1d軸向上與上下垂線實際距離L1，在攝影平面上形成投影距離L0；

則L0/H0=L1/(H0+H)；

L1=L0（1+H/H0)----------------------------------------------(4)

根據(jù)勾股定理，球體（3）在1a與1c軸向上的半徑R與L1,R-H關(guān)系為：

R²=L1²+(R-H)²；R²=L1²+R²-2RH+H²；2RH=L1²+H²；

R=L1²/2H+H/2-----------------------------------------------（5）

計算機程序計算時，程序設(shè)定先將CCD測定的L0,H2與常數(shù)H0，先代入（3）計算出H,再代入（4）計算出L1,最后將計算出的L1與H代入（5）即可計算出1b-1d軸向上的球體（2）半徑R；

圖4、圖4A所示，在CCD投影線d取p'點的L0’、H2’與常數(shù)H0。以上述計算機程序同法計算，先將CCD測定的L0’,H2’與常數(shù)H0，先代入（3）計算出H’,再代入（4）計算出L1’,最后將計算出的L1’與H’代入（5）即可計算出1a-1c軸向上的球體（2）半徑R'。

圖4A所示，之所以設(shè)置1a,1c與1b,1d對稱光柵發(fā)生器，是為了在CCD上形成對稱的a、b、c、d投影線，幫助拍照時對準(zhǔn)以及后期計算時對偏斜進行校正，校正的方法是等L0下取四條H2線點間距的平均值；在等H2線下取四條L0線點間距的平均值。

圖5所示，對于正球體，R=R’，而橄欖形球體則R>R’；為了避免R與R'測定時的相互干擾，從CCD攝像頭方向向下看，R與R'呈現(xiàn)相互垂直的關(guān)系。在角度β的同步影響下，同R的L與H存在下表對應(yīng)關(guān)系。對于R與R’，則H與L’，L與H’存在同步關(guān)系：

L=RCosβ；H=RSinβ

角β° H（%R） L（%R） 角β° H（%R） L（%R） 角β° H（%R） L（%R）

0 0 1

1 0.0174 0.9998 31 0.5150 0.8572 61 0.8746 0.4848

2 0.0349 0.9994 32 0.5299 0.8480 62 0.8829 0.4695

3 0.0523 0.9986 33 0.5446 0.8387 63 0.8910 0.4539

4 0.0697 0.9976 34 0.5592 0.8290 64 0.8988 0.4384

5 0.0872 0.9962 35 0.5736 0.8192 65 0.9063 0.4226

6 0.1045 0.9945 36 0.5878 0.8090 66 0.9135 0.4067

7 0.1219 0.9925 37 0.6018 0.7986 67 0.9205 0.3907

8 0.1392 0.9903 38 0.6157 0.7880 68 0.9272 0.3746

9 0.1564 0.9877 39 0.6293 0.7771 69 0.9336 0.3584

10 0.1736 0.9848 40 0.6428 0.7660 70 0.9397 0.3420

11 0.1908 0.9816 41 0.6561 0.7547 71 0.9455 0.3256

12 0.2079 0.9781 42 0.6691 0.7431 72 0.9511 0.3090

13 0.2249 0.9744 43 0.6819 0.7314 73 0.9563 0.2923

14 0.2419 0.9702 44 0.6946 0.7193 74 0.9612 0.2756

15 0.2588 0.9659 45 0.7071 0.7071 75 0.9659 0.2588

16 0.2756 0.9612 46 0.7193 0.6946 76 0.9702 0.2419

17 0.2923 0.9563 47 0.7313 0.6819 77 0.9743 0.2249

18 0.3090 0.9510 48 0.7431 0.6691 78 0.9781 0.2079

19 0.3255 0.9455 49 0.7547 0.6560 79 0.9816 0.1908

20 0.3420 0.9396 50 0.7660 0.6427 80 0.9848 0.1736

21 0.3583 0.9335 51 0.7771 0.6293 81 0.9876 0.1564

22 0.3746 0.9271 52 0.7880 0.6156 82 0.9902 0.1391

23 0.3907 0.9205 53 0.7986 0.6018 83 0.9925 0.1218

24 0.4067 0.9135 54 0.8090 0.5877 84 0.9945 0.1045

25 0.4226 0.9063 55 0.8191 0.5735 85 0.9961 0.0871

26 0.4383 0.8987 56 0.8290 0.5591 86 0.9975 0.0697

27 0.4539 0.8910 57 0.8386 0.5446 87 0.9986 0.0523

28 0.4694 0.8829 58 0.8480 0.5299 88 0.9993 0.0348

29 0.4848 0.8746 59 0.8571 0.5150 89 0.9998 0.0174

30 0.5 0.8660 60 0.8660 0.5 90 1 0

表中顯示，當(dāng)角度β小于8°暨H取值小于12.9%R’（H’,角度β小于8°）)時，L’大于0.99%R’，即對于L’的影響小于1%R’，誤差可以忽略不計，因此，CCD采樣H控制在R’的12.9%以內(nèi)；當(dāng)角度β小于71°，H大于5%R，且H變化與角度呈線性關(guān)系，意味著對H的檢測敏感，即L的取值要大于R的32.56%，才能準(zhǔn)確測定出1b-1d軸向半徑R。此時L：H>32.56%：12.9%>2.5：1，當(dāng)H與L根據(jù)上述原則進行取值，就可以避免R與R’的交互影響。

同樣原理，當(dāng)H’取值小于12.9%R（H,角度β小于8°），L’取值大于34.02%R’（角度β小于70°）且L’：H’>2.5：1，可以測定出1a-1c軸向半徑’。

圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示，曲面半徑測量儀包括光柵發(fā)生器（1a、1b、1c、1d）、CCD攝像頭（3）、主機（4）和附件構(gòu)成，其附件包括充電電池（5）、電纜（6）、SD卡（7）、刻度貼膜（8）、帶標(biāo)尺（9.1）的定標(biāo)紙（9）（圖7）；其中，主機（4）后部的一端為電池倉（4.1），內(nèi)置電池（5）、電池倉上方設(shè)電源開關(guān)（4.2）；另一端為主板倉（4.3），主板倉（4.3）上方設(shè)拍照按鈕（4.4），側(cè)面設(shè)電纜接口（4.5）和SD卡槽（4.6）；主機（4）的背面安置顯示屏（4.7）；主機（4）前部為喇叭狀暗室（4.8），圍繞暗室（4.8）的側(cè)壁（4.9）末端上對稱安置光柵發(fā)生器（1a、1b、1c、1d），暗室（4.8）底部正中安置CCD攝像頭（3），光柵發(fā)生器（1a、1b、1c、1d）與CCD攝像頭（3）呈α斜角。

圖11、圖12、圖13所示，曲面半徑測量儀出廠時背面顯示屏(4.7)貼上刻度貼膜（9），并進行定標(biāo)；定標(biāo)方法為水平放置定標(biāo)紙（9），曲面半徑測量儀垂直對準(zhǔn)拉近，直至顯示屏（4.7）上的光柵投影a與c、b與d重合為一十字，拍攝圖像（圖13），以電纜（6）或SD卡（7）輸出至計算機，建立標(biāo)尺（9.1）與像素點距的對應(yīng)關(guān)系，標(biāo)尺像素點距÷標(biāo)尺長度=換算系數(shù)；測量CCD與定標(biāo)紙垂直間距記錄為H0。

圖1至圖5、圖14所示，使用時，調(diào)整曲面半徑測量儀拍攝的角度和距離，直至如圖10的顯示屏上光柵投影a與c、b與d的影像對稱，拍攝圖像（圖14），以電纜（6）或SD卡（7）輸出至計算機；按照圖1至圖5所述方法計算R與R’。

具體實施方式

本發(fā)明系一種曲面半徑測量方法與儀器，其特征是：其由光柵發(fā)生器（1a、1b、1c、1d）、CCD攝像頭（3）、主機（4）和附件組成，其附件包括充電電池（5）、電纜（6）、SD卡（7）、刻度貼膜（8）、帶標(biāo)尺（9.1）的定標(biāo)紙（9）；其中，主機（4）后部的一端為電池倉（4.1），內(nèi)置電池（5）、電池倉上方設(shè)電源開關(guān)（4.2）；另一端為主板倉（4.3），主板倉（4.3）上方有拍照按鈕（4.4），側(cè)面設(shè)電纜接口（4.5）與SD卡槽（4.6）；主機（4）的背面安置顯示屏（4.7），其表面貼有刻度貼膜（8）；主機（4）前部為喇叭狀暗室（4.8），圍繞暗室（4.8）的側(cè)壁（4.9）末端上對稱安置光柵發(fā)生器（1a、1b、1c、1d），暗室（4.8）底部正中安置CCD攝像頭（3），光柵發(fā)生器（1a、1b、1c、1d）與CCD攝像頭（3）呈α斜角；（圖6至圖12）。

圖13所示，曲面半徑測量儀出廠定標(biāo)方法：水平放置定標(biāo)紙（9），曲面半徑測量儀垂直對準(zhǔn)拉近，直至顯示屏（4.7）上的光柵投影a與c、b與d重合為一十字，拍攝圖像，電纜（6）或SD卡（7）輸出至計算機，建立標(biāo)尺長度與像素點距的對應(yīng)關(guān)系:像素點距÷標(biāo)尺長度=轉(zhuǎn)換系數(shù)；測量CCD與定標(biāo)紙垂直間距記錄為H0。

圖14所示，使用時，調(diào)整曲面半徑測量儀拍攝的角度和距離，直至如圖14的顯示屏上光柵投影a與c、b與d的影像對稱，拍攝圖像（圖14），將拍攝圖像以電纜（6）或SD卡（7）輸出至計算機；如圖1至圖5所示，按L：H>2.5:1的規(guī)則，在a投影線取P點畫方框，在等L0下取四條H2線的點間距平均值；在等H2線下取四條L0線點間距的平均值以校正偏斜；計算機程序?qū)Ⅻc間距轉(zhuǎn)換為實際距離：L0=L0×轉(zhuǎn)換系數(shù)，H2=H2×轉(zhuǎn)換系數(shù)；計算H=Tantα×H2/(1-Tantα×H2/H0)，L1=L0（1+H/H0)；再計R=L1²/2H+H/2；按L’：H’>2.5:1的規(guī)則，在d投影線取P’點畫方框，在等L0’下取四條H2’線的點間距平均值；在等H2’線下取四條L0’線點間距的平均值以校正偏斜；再將點間距轉(zhuǎn)換為實際距離：L0’=L0’×轉(zhuǎn)換系數(shù)，H2’=H2’×轉(zhuǎn)換系數(shù)；計算H’=Tantα×H2’/(1-Tantα×H2’/H0)，L1’=L0’（1+H’/H0)；再計R’=L1’²/2H’+H’/2；其中a、b、c、d分別為光柵發(fā)生器 1a、1b、1c、1d的投影線 R為球體1b-1d軸向半徑 R'為球體1a-1c軸向半徑 α為光柵發(fā)生器與攝影平面的夾角 P為投影線a上的一點（point）， P'為投影線d上的一點 H0為CCD至成像平面垂直距離 0為上下垂線與攝影平面交叉點暨a、b、c、d投影線的交叉點 L1 為P點與上下垂線的實際距離 L1' 為P'點與上下垂線的實際距離 L0為L1在攝影平面上的投影距離 L0'為L1'在攝影平面上的投影距離 H為P點與攝影平面的實際垂直距離 H'為P'點與攝影平面的實際垂直距離 H1為H在球面實際投影點與上下垂線的實際距離 H1'為H'在球面實際投影點與上下垂線的實際距離 H2為H1在成像平面上的投影距離 H2'為H1'在成像平面上的投影距離。