(19)中华人民共和国国家知识产权局 ▣米▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN105300318A (43)申请公布日2016.02.03 (21)申请号201510759995.4 (22)申请日2015.11.10 (71)申请人重庆大学 地址400044重庆市沙坪坝区沙正街174号 (72)发明人魏榛尹铎 (74)专利代理机构重庆大学专利中心50201 代理人郭吉安 (51)1nt.Cl. G01B11/25(2006.01) G01M500(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图1页 (54)发明名称 双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统 (57)摘要 双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统， 由光学系统、运动系统、外力加载系统和支撑结构 组成，光学系统包括线激光器、激光器支架、工业 相机、相机支架、激光反射镜、反射镜底板、镜头和 同轴光源：运动系包括直线电机、旋转电机、直线 电机座、旋转电机座、滑块、滑台、操作台底板、夹 头和盖板，本发明实现了线激光/白光双光源扫 描，扫描速度快，可以精确地得到昆虫翼面三维形 貌：可以完成精确的力学实验，并能测量昆虫翼 面的刚度分布：本发明可以同时对试件进行形状 扫描和力学实验，且精度高，易操控，因此可以广 泛应用于仿生飞行器的开发和大变形材料刚度的 测量。 8.9009901
CN105300318A 权利要求书 1/1页 1.双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统，由光学系统、运动系统、外力加载系统和 支撑结构组成，其特征在于： 所述光学系统包括线激光器、激光器支架、工业相机、相机支架、激光反射镜、反射镜底 板、镜头和同轴光源，工业相机和同轴光源与镜头相连，相机安装在相机支架上，激光器架 在激光器支架之上，激光反射镜有两块，一一块以30-60°的角度安装在激光器支架内部，另 一块以30-60°的角度安装在反射镜底板上： 所述运动系包括直线电机、旋转电机、直线电机座、旋转电机座、滑块、滑台、操作台底 板、夹头和盖板，滑台固定在主底板上，盖板固顶在滑台上，滑块与操作台底板相固定并安 装在滑台轨道上，直线电机通过直线电机座与操作台底板相连，旋转电机通过旋转电机座 与操作台底板相固定，夹头固定在旋转电机轴上： 所述外力加载系统包括力探针和探针座，探针固定于探针座上，探针做安装在操作台 底板上并随操作台底板运动而运动； 所述支撑结构包括主底板和外壳，主底板和外壳通过螺丝和连接块相固定。 2
CN105300318A 说明书 1/4页 双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统 技术领域 [0001]本发明属于扫描与力学测试系统，具体涉及一种使用激光和白光双光源的昆虫翼 面扫描与力学测试系统。 背景技术 [0002]昆虫翼面的刚度和飞行过程中所受的气动力一直是人们感兴趣的问题。直接测量 真实昆虫飞行中受到的气动力难度大，常见的做法是测量大比例昆虫运动模型受到的气 动力，由相似性原理求得真实翼面所受到的力。昆虫翅膀属于大变形生物膜结构材料，不能 使用传统的材料实验机测量其刚度。 发明内容 [0003]本发明的目的就是为了克服上述背景技术的不足，提供一种既可以扫描测量翼面 三维形貌，又可以精确施加载荷进行力学测量的系统。 [0004]本发明所涉及的双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统，由光学系统、运动系 统、外力加载系统和支撑结构组成，其中： [0005]光学系统包括线激光器、激光器支架、工业相机、相机支架、激光反射镜、反射镜底 板、镜头和同轴光源，其特征在于，相机和同轴光源及镜头相连，相机安装在相机支架上，激 光器架在激光器支架之上，激光反射镜有两块，一块以30-60°的角度安装在激光器支架内 部，另一块以30-60°的角度安装在反射镜底板上： [0006]运动系统包括直线电机、旋转电机、直线电机座、旋转电机座、滑块、滑台、操作台 底板、夹头和盖板，其特征在于，滑台固定在主底板上，盖板固顶在滑台上，滑块与操作台底 板相固定并安装在滑台轨道上，直线电机通过直线电机座与操作台底板相连，旋转电机通 过旋转电机座与操作台底板相固定，夹头固定在旋转电机轴上； [0007]外力加载系统包括力探针和探针座，其特征在于，探针固定于探针座上，探针做安 装在操作台底板上并随操作台底板运动而运动： [0008]支撑结构包括主底板和外壳，其特征在于，主底板和外壳通过螺丝和连接块相固 定。 [0009]本发明所述的双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统，使用白光/激光双光源 对翼面进行扫描。其中，白光选用同轴光源，激光选用波长为405±10mm的紫色线激光。 [0010]本发明所述的双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统，激光器发出线激光，经 激光反射板反射，以30-60°的角度投射在待测翼面上，在翼面表面呈现出一光条，该光条 由另一块激光反射板以30-60°的角度反射到镜头和相机上并为之接收。 [0011]本发明所述的双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统，利用白光/激光双光源 双光源扫描翼面，利用力探针对翼面施加载荷，可以同时得到翼面的形状和刚度。 [0012]本发明的双光源三维扫描与力学测试系统，既可以扫描测量翼面三维形貌，又可 以精确施加载荷进行力学测量。为实现扫描测量翼面三维形貌的功能，线激光器投射一个 3
CN105300318A 说明书 2/4页 很窄的激光平面到待测翼面上，该激光平面与翼面表面相交，在物体表面上呈现出一条明 亮的激光光条。光条受到被测物体表面深度变化和可能存在的间断的影响，会有明显的变 形或间断。光条的变形程度取决于物体表面形状（高度）和相机与激光投射器之间的相对 位置。一般来说，光条的变形与被测物体表面凹凸高度成比例，其中不连续反映了物体表面 的物理间隙，扭曲反映了平面的变化。工业相机拍摄图像，摄取这些畸变条纹信息和特征 点，通过图像处理得到需要的二维信息，根据光学三角法测量原理和摄像机的标定参数，就 可计算出对应二维信息的三维形貌。为实现力学测量的功能，本系统首先扫描得到加载前 翼面的三维形貌，之后，力探针精确地对翼面施加集中载荷，在经过扫描得到加载后翼面的 三维形貌。由加载前后的翼面形貌对比，可得到翼面的变形情况。由集中载荷的大小和施 加位置以及翼面变形，可以得到翼面的刚度分布。 [0013]本发明的双光源昆虫翼面三维扫描与力学测试系统，实现了线激光/白光双光源 扫描，扫描速度快，可以精确地得到昆虫翼面三维形貌：可以完成精确的力学实验，并能测 量昆虫翼面的刚度分布；本发明可以同时对试件进行形状扫描和力学实验，且精度高，易操 控，因此可以广泛应用于仿生飞行器的开发和大变形材料刚度的测量。 附图说明 [0014]图1为本发明装配图，重点展示其光学系统。 [0015] 其中：1，线激光器：2，激光器支架：3，反射板支架；4，镜头支架；5，镜头支架底板： 6,镜头：7，相机底座：8，工业相机；9，相机支架；10，千分尺螺杆；11，同轴光源。 [0016]图2为本发明装配图，重点展示其运动系统。 [0017刀其中：12，旋转电机：13，电机座；14，直线电机：15，力探针座：16，操作台底板： 17,滑块：18，滑台基座：19，盖板：20，夹头：21，主底板：22，镜片压板：23，激光反射板。 具体实施方式 [0018] 下面通过实例和附图进一步说明 [0019] 本发明的双光源的昆虫翼面扫描与力学测试系统，其结构如图1、图2所示。 [0020]实例一，本实施例为激光扫描待测翼面的过程 [0021]1),固定试件；将待测翼面粘贴在一根笔直的金属棒上，用旋转电机轴上的夹头 20将金属棒夹紧： [0022]2),扫描翼面的一面：启动程序，系统实现运动一拍照--运动的扫描功能，直至扫 完翅膀的一面：具体执行过程为，线激光器1发出激光打在待测翼面上，系统施加给直线电 机14脉冲以控制其运动，每秒平均施加100个脉冲，直线电机运动0.01mm,工业相机8拍摄 一次试样形状：在一秒钟内，脉冲施加的速度，由零开始以恒定的加速度地增加到某个值， 之后保持匀速，尔后定加速度地减至零，直线电机控制系统收到脉冲，驱动电机运动：由于 电机属于机械元件，在时间响应上存在惯性引起的滞后，故而在每个运动信号输入后，电机 控制系统停止后，预留出一定的时间，使得电机可以达到静止：此时，工业相机8拍摄翼面 在线激光照射下的形貌图片： [0023]3)翻转翼面；拍完一面之后，通过旋转电机19控制翼面绕旋转电机轴线旋转 180°； 4
CN105300318A 说 明书 3/4页 [0024] 4)扫描翼面另一面：其过程与扫描翼面的一面的过程相同。 [0025] 实例二白光扫描待测翼面过程 [0026] 1)固定试件：将待测翼面粘贴在一根笔直的金属棒上，用旋转电机轴上的夹头20 将金属棒夹紧； [0027]2)扫描翼面的一面：启动程序，系统实现运动-拍照-运动的扫描功能，直至扫 完翅膀的一面：具体执行过程为，同轴光源11发出白光打在待测翼面上，系统施加给直线 电机14脉冲以控制其运动，每秒平均施加100个脉冲，直线电机运动0.01mm,工业相机8 拍摄一次试样形状：在一秒钟内，脉冲施加的速度，由零开始以恒定的加速度地增加到某个 值，之后保持匀速，尔后定加速度地减至零，直线电机控制系统收到脉冲，驱动电机运动： 由于电机属于机械元件，在时间响应上存在惯性引起的滞后，故而在每个运动信号输入后， 电机控制系统停止后，预留出一定的时间，使得电机可以达到静止：此时，工业相机8拍摄 翼面在白光照射下的形貌图片： [0028]3)翻转翼面；拍完一面之后，通过旋转电机19控制翼面绕旋转电机轴线旋转 180° [0029] 4)扫描翼面另一面：其过程与扫描翼面的一面的过程相同。 [00301 实例三，激光-白光扫描过程 [0031] 1)固定试件；将待测翼面粘贴在一根笔直的金属棒上，用旋转电机轴上的夹头20 将金属棒夹紧； [0032]2)扫描翼面的一面：启动程序，系统实现运动-拍照-运动的扫描功能，直至扫 完翅膀的一面：具体执行过程为，线激光器1和同轴光源11分别发出激光和白光打在待测 翼面上，系统施加给直线电机14脉冲以控制其运动，每秒平均施加100个脉冲，直线电机运 动0.01mm,工业相机8拍摄一次试样形状：在一秒钟内，脉冲施加的速度，由零开始以恒定 的加速度地增加到某个值，之后保持匀速，尔后定加速度地减至零，直线电机控制系统收到 脉冲，驱动电机运动：由于电机属于机械元件，在时间响应上存在惯性引起的滞后，故而在 每个运动信号输入后，电机控制系统停止后，预留出一定的时间，使得电机可以达到静止： 此时，工业相机8拍摄翼面在线激光和白光照射下的形貌图片； [0033]3)翻转翼面；拍完一面之后，通过旋转电机19控制翼面绕旋转电机轴线旋转 180° ； [0034] 4)扫描翼面另一面：其过程与扫描翼面的一面的过程相同： [0035] 4)拼接照片；通过同轴白光，拼接照片，得到翼面正反两面完整的形貌图。 [0036] 实例四，刚度测量 [0037] 1)夹持试件；将待测翼面一端粘贴在一根笔直的金属棒上，用旋转电机轴上的夹 头20将金属棒夹紧： [0038]2)扫描加载前的翼面；启动程序，系统实现运动-一拍照-运动的扫描功能，直至 扫完翅膀的一面，得到加载前的翼面形貌图： [0039]3)施加载荷；力探针在翼面上某处施加一定的集中力，并在施加后保持同翼面的 位置关系不变： [0040]4)扫描加载后的翼面；启动程序，系统实现运动一拍照-运动的扫描功能，直至 扫完翅膀的一面，得到加载后的翼面形貌图；对比两张形貌图，可以得到翼面的挠度；由翼 5
CN105300318A 说明书 4/4页 面受载大小、受载位置和挠度分布，可以得到翼面的刚度分布。 6
CN105300318A 说明书附图 1/1页 图1 图2