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缔造世界高端测量

作者: 来源:本站原创 日期:2018/3/20 10:03:39 点击:99 属于:首页banner
缔造世界高端测量

      三坐标非接触测量法
   非接触测量方法概述
用非接触法测量三维工件方法主要是指光学方法。传统的接触测量方法中有测量力的存在,测量时间长,需要对测头的半径的补偿,不能测量软质材料等局限,而光学非接触测量技术比较成功地解决了上述问题,以其高响应、高分辨率而倍受重视。随着各种高性能器件如半导体激光器(LD)、电荷耦合器件(CCD)、COMOS图像传感器、位置敏感器件(PSD)等的出现,光学非接触测量技术得到快速地发展。近年来,各种光学测量技术在其特定的领域都取得了很大发展,本文对其中一些主要的方法进行阐述。


干涉测量法
干涉测量法是利用光的干涉原理对物体进行测量的,它的基本思想是通过改变与被测物体形状光学位相相关的灵敏度矩阵形成干涉条纹。随着激光技术的发展,出现了双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息等多种方法。传统的干涉测量法的特点是测量精度高,达到nm级,但测量尺寸范围小,对环境要求苛刻。而近期的研究表明双频外差干涉测量在100 m范围内可以获得0.1 mm的分辨率,并出现了受机械干扰很小的sherography法和锥光镜全息法。
飞行时间法
飞行时间法的原理是基于测量激光或其他光源脉冲光束的飞行时间进行点位测量。在测量过程中,物体脉冲经反射回到接收传感器,参考脉冲穿过光纤也被传感器接收,这样会产生时间差,就可以把两脉冲时间差转换成距离。飞行时间法典型的分辨率在1 mm左右,采用由二极管激光器发出的亚毫秒脉冲和高分辨率设备,可以获得亚毫米级的分辨率。由文献得知,采用与时间相关的单光子计算方法,在1 m远测量深度重复性优于30μm。综合利用数字重现技术和Littrow[5]装置,其深度分辨率可以达到6.5μm。
激光扫描法
该方法采用了光学中著名的三角关系,其典型的测量范围是±5 mm到±250 mm,相对测量精度是1:10 000,测量频率为40 kHz或者更高。用电荷耦合器件(CCD)或者位置敏感器件(PSD)进行数字点激光图像采集。如采用PSD,测量精度主要依赖于PSD上图像的精度,聚束点反射和散射光也是影响测量精度的重要因素。Idesawa采用高精度多变化的镜面隧道位置传感技术和混合位置灵敏探测器研究出一些提高PSD精度的方法。由于基于敏感元件的CCD避免了聚束点反射和散射光,并且单个像素的分辨率高,所以采用CCD可以得到更高的测量精度。影响测量精度的另一个因素是被测物体的表面特征与定标面的差异。一般来说,为了保证较高的测量精度,定标应该在与被测物体表面相似的表面上进行。最近研究表明共焦技术可以允许表面颜色和透明度的变化以及无定标的不规律性。


摩尔条纹测量法
自Meadows等于1970年提出摩尔轮廓法以来,在此基础上提出了影像(Shadaw)摩尔法、投影(Projecion)摩尔法、扫描摩尔法以及这些方法的改进方法。摩尔条纹技术的关键是两个光栅,一个是主光栅,另一个是参考光栅。参考光栅可以产生轮廓干涉图样,由CCD摄像机分辨。影像摩尔法的特点是原理简单、精度较高,但由于制造面积较大的光栅很困难,所以该方法适用于小物体的测量。投影摩尔法是将光栅投影到被测物体上,然后在观察侧用第二个光栅观察物体表面的变形光栅像,这样就得到摩尔条纹。分析摩尔条纹便可得到物体高度信息,该法的特点是适合于测量较大的物体。扫描摩尔法是用电子扫描光栅和变形像叠加生成摩尔等高线,它的优点是利用现代电子技术,可以方便地改变扫描光栅栅距、位相等,生成不同位相的摩尔等高线条纹图像,便于实现计算机自动处理,但缺点是需要扫描机构,数据获取速度低,稳定性差,对噪声敏感。
激光散斑截面图样测量法
该方法把光波频域和空间域之间的三维傅立叶变换关系用于测量物体的三维轮廓。激光雷达三维成像,也称为散斑图形采样法,是利用探测平面光场对应于物体三维傅立叶变换的二维限波原理,通过改变激光的波长获得物体三维傅立叶变换的另外两个二维限波。在每个不同的激光波长上,使用CCD阵列探测光斑图样,把每帧图像综合起来得到三维数据阵列。把三维傅立叶变换应用到该数据阵列,可以获得物体的三维形状。该方法测量范围可以从一个微米到数米,测量精度与测量范围紧密相关。采用最新的激光技术,在10 mm的测量范围内,可以达到1~10μm分辨率,测量不确定度可
以达到0.5μm。该技术的优点是测量范围具有高度的灵活性和不需要传统干涉测量法中的相移,不足之处是对于相对较大的形体测量,采集不同波长的图像花费时间较多。
摄影测量法
典型的摄影测量法采用立体视觉技术测量物体的三维形状,摄影测量法主要用于特征型三维尺寸测量,它通常必须做一些明亮的标记,如在被测物体的表面上贴一些反射点。一般各种模型都是在传统的针孔模型基础上扩展发展起来的,复杂的高精度的计算还要求考虑透镜的畸变。模型建立起来后,要实现物体的三维测量,就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)和外部参数(两摄像机的位置关系及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系)。因此,在测量前,要进行定标,完成内部参数和结构参数的标定,一般来说是采用精密定标靶,通过摄像机的像面坐标及三个空间坐标系的关系求得这些参数。在确定好测量模型后,就要设计算法,一套典型的摄影测量算法包括:(1)摄像机参数和传感器模型;(2)图像预处理和特征提取;(3)特征匹配;(4)三维尺寸计算等。其中特征匹配是立体视觉算法中最为复杂的一环,如何快速准确地完成特征匹配一直是计算机视觉技术中亟待解决的问题。一般来说,摄影测量法的精度较低,且被测物的形状比较简单。文献[10]中,采用了事先确定摄像机的部分不易变化的参数,其他参数在摄像机安装到整个系统后进行现场标定,试验结果表明,该方法能获得0.05 mm的空间精度。在文献[11]中把透镜的径向和切向畸变都考虑进去,得到了0.025 mm的精度。显然对于高精度的测量,透镜的切向畸变和径向畸变都是不可被忽略的。为了提高摄影测量法的测量精度,科技工作者进行了广泛的研究。新的研究[12]认为摄影测量法可以获得高达1:100 000甚至1:1 000 000的相对精度。
2.1.7 跟踪式激光干涉测量法
跟踪式激光干涉测量系统采用干涉仪来测量距离,用两个高精度角度编码器确定竖直和水平角度,它是扫描系统,通常用于追踪光学传感器或者机器人的位置。由美国国家标准局研制并在自动化精密股份有限公司改进的跟踪式激光干涉测量系统SMART310可达到1μm长度分辨率和0.7弧秒的角度分辨率。莱卡LTD 500系统进行绝对距离测量时,可以获得大约±50μm的精度,在直径为35 m的测量范围内,角度编码器的允许相对精度为1:200 000。
2.1.8 结构光测量法
结构光法,也可以归类到主动三角法,包括投影编码光和正弦条纹技术。物体的深度信息经过码成为失真的条纹图形,由图像采集传感器记录下来。尽管与投影摩尔条纹技术有关,但该方法不是采用参考光栅产生摩尔条纹,而是从漫射物体表面记录的失真条纹直接解码得到物体的形状。当采用基于液晶显示器(LCD)/数字镜像器(DMD)和优化的形状测量系统时,可以达到1:20 000的相对测量精度。结构光方法有以下优点:(1)易于实现;(2)如果采用计算机控制的LCD/DMD,不移动部件也可以实现位相移动、条纹密度和方向的改变;(3)快速全场测量。然而,要使该方法在工业中得到更普遍使用,有些问题必须解决,如所有三角测量法固有的阴影问题。如果采用360°复合采集数据记录并利用投影光栅或者点离焦技术有希望解决此问题。该方法把显微镜用于小型物体测量,可以分别获得1μm的横向分辨率和0.1μm的纵向分辨率。

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