[发明专利]一种同轴位移检测的光学方法

说明书

本发明涉及一种同轴位移检测的光学方法，该方法用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆圆形的标记图案，在图案中两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；激发光自探头出射形成锥形光束，光束的直径随离探头的同轴距离增加而增大；标记图案上被激发光覆盖的圆形区间内的两种荧光材料被激发出荧光，荧光中包含分别源于两种荧光材料的两个波段，两个波段的光强的比例随标记图案到探头的同轴距离而改变；从而，通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面相对探头的同轴位移。本发明给出了检测被测物体相对于探头的同轴位移的方法，具有抗干扰、高精度、低成本的优点。

技术领域

本发明涉及光学探测技术领域，具体是涉及一种同轴位移检测的光学方法。

背景技术

光测技术中，物体沿探头轴向的位移称为同轴位移。测量物体到探头距离以及物体相对于探头同轴位移的光学传感技术主要有反射式、色散式、干涉式几种原理，干涉式位移传感的量程一般在微米级，量程能达到厘米级的只有反射式、色散式传感技术。

反射式同轴测量是将一束光由探头正入射到被测物体表面，自物体表面反射回来的光又进入探头，因为光束在传输过程中自然地发散，在探头的出射光强度稳定的前提下，探头接收的反射光强度单调地依赖于物体表面光反射位置到探头的距离。这种技术设备成本较低，缺点是容易受环境因素干扰，导致稳定性较差。

色散式同轴测量使用强色散特性的镜头，以平行光为例，不同波长的光的焦距不同。被测物体经镜头成像，物体反光面到镜头的距离不同，对应于不同的像的颜色。这种技术精度较高，缺点是使用的探头包括镜头比较昂贵。

本发明提出一种同轴位移检测的光学方法，该方法利用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆标记图案，探头出射的激发光锥形光束直径随远离探头的距离而逐渐增大，标记图案上被激发出的荧光中两种荧光材料发光强度的比例随距离而改变，从而通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面和探头之间的距离。与前述的反射式及色散式同轴位移测量方法相比，本发明兼具抗干扰、高精度、低成本的优点。

发明内容

本发明目的在于提供一种同轴位移检测的光学方法，该方法既与其它光测同轴位移方法一样可以无线测量，另外又兼具其它各方法的优点包括抗干扰、高精度、低成本。而这些优点在其它方法中是互相抵触的。

本发明技术方案如下：

一种同轴位移检测的光学方法，该方法包括用两种不同荧光色的荧光材料在被测物体表面涂覆圆形的标记图案，在图案中两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；激发光自探头出射形成与探头同轴的锥形光束，光束的直径随离探头的同轴距离增加而增大；标记图案上被激发光覆盖的圆形区间内的两种荧光材料被激发出荧光，荧光中包含分别源于两种荧光材料的两个波段，两个波段的光强的比例随标记图案到探头的同轴距离而改变；从而，通过标记图案的荧光特征数值就可以得知被测物体表面相对探头的同轴位移；具体步骤如下：

步骤一、选取两种不同荧光色的荧光材料，并根据它们的发光特性，选用合适的激发光波长，通过控制两种荧光材料的荧光波长的差距，以调节位移检测的灵敏度；

步骤二、用所述荧光材料在待测位置变化的被测物体表面涂覆，形成圆形的标记图案，圆形的标记图案与探头同轴，两种荧光材料的填充比沿圆的径向渐变；

步骤三、激发光光源发出的光经过所述探头被整形成为锥形光束，光束与探头同轴、投射到标记图案上，激发出被投射区间内荧光材料的荧光；

步骤四、测量和记录被测物体到所述探头的轴向距离变化时的荧光光谱，并根据各荧光光谱计算荧光特征，标定出荧光特征与轴向距离的关系函数；其中，所述荧光特征包括荧光的颜色参数、荧光强度比、荧光谱重心波长和荧光强度；

步骤五、将涂覆了所述标记图案的被测物体置于所述探头的轴向未知距离处，用步骤三所用的激发光锥形光束激发出所述标记图案上被投射区间的荧光，测算它的荧光特征，代入由步骤四所得到的关系函数，得到待测同轴位移。