光電檢測技術(shù)及應(yīng)用第8章-外形尺寸檢測201607

目錄8.1概述8.2模擬變換檢測法8.3光電掃描檢測法

光學(xué)掃描法、電掃描法8.4CCD自掃描檢測法8.5光電三維形貌檢測法第8章外形尺寸檢測一、概述

先將長度量通過光學(xué)元件變成光學(xué)量（光通量或光脈沖數(shù)），通過光電器件將光學(xué)量變成電量，這個反映被測量（或誤差）的電量通過電子技術(shù)實現(xiàn)自動測量和控制。1、模擬量變換法

通過光通量的變化或光通量的有無來反映零件尺寸及公差大小。影響測量準(zhǔn)確度的主要因素主要有光電器件的靈敏度和噪聲（背景噪聲、器件噪聲和放大器噪聲）。另外對光源的穩(wěn)定性也要求很高，但由于這種方法簡單，使用方便，在精確度要求不高的情況下得到應(yīng)用。2、模數(shù)轉(zhuǎn)換法

用離散量來表示。檢測精度高、易于數(shù)字化和智能化。第8章外形尺寸檢測二、模擬變換檢測法經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)得到一束平行光，投射到被測工件上。其中一部分光通量被工件遮擋，而另一部分照射到光電器件上，工件遮擋光通量的多少取決于被測工件的尺寸大小，所以光電器件輸出的電流是被測工件尺寸的函數(shù)。光電器件輸出的電信號進行放大，然后進行信號處理，最后通過控制機構(gòu)。光通量測量法第8章外形尺寸檢測二、模擬變換檢測法

從光源發(fā)出的光束經(jīng)樣板和被測圓環(huán)之間的空隙而射到光電器件上，空隙的大小由被測圓環(huán)的尺寸所決定。射到光電器件上的光通量的大小會隨著被測圓環(huán)尺寸而改變，因而改變了光電流的強度，人們通過光電流大小便可確定圓環(huán)尺寸和誤差大小?；钊h(huán)檢測原理1—被測圓環(huán)2—樣板3—光源4—光學(xué)透鏡5—齒形調(diào)制盤6—光電器件第8章外形尺寸檢測二、模擬變換檢測法變化，將光電流進行放大等電路處理，不僅能測量值的大小，而且能判斷出誤差是正差還是負差，經(jīng)分選后分出成品和廢品。多狹縫檢測原理格柵向上移動時通光面積增大，向下移動通光面積減小，光電器件輸出的光電流也隨之第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法1、光學(xué)掃描法

激光掃描檢測系統(tǒng)原理圖第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法信號檢出和計數(shù)過程第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法位移誤差分析圖影響測量精度的因素量化誤差

旋轉(zhuǎn)棱鏡8面體的幾何形狀誤差

工件在移動過程中進行檢測時帶來的位移誤差

掃描軸線與工件軸線不垂直誤差

隨機誤差掃描面與工件軸線不垂直誤差第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法2、電掃描法

真空攝像管檢測法

攝像管檢測裝置的示意圖第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法設(shè)掃描電子束每掃一行的有效距離為L，定時器所計一行的脈沖數(shù)為N，則每一脈沖的當(dāng)量即量化單位：若電子在掃過影像的時間內(nèi)，定時器所計脈沖為n，則影像尺寸為：攝像管工作波形圖第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法光敏二極管陣列檢測法

線陣列等效電路工作波形圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法微小尺寸的檢測線陣CCD衍射的方法測量微小尺寸原理框圖細絲衍射圖像當(dāng)很小時，第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法對式進行微分得誤差公式為：簡化得：若使用氦氖激光，λ＝632.8nm，L=1000mm±0.5mm，d=500μm。則得：當(dāng)CCD像元選用（13±1）μm，則ΔS=10μm，得誤差為：第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法S的測量方法S測量原理框圖S計算波形圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法小尺寸的檢測CCD小尺寸對象測量原理框圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法大尺寸（或高精度工件）檢測雙CCD方法大尺寸測量原理圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法透明材料（石英玻璃管）厚度的測量石英玻璃管壁厚測量原理第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法由折射定律：由幾何關(guān)系得：光束寬度為：此光束被線陣CCD接收，輸出兩個攜帶有被測玻璃管壁厚信息的光強脈沖信號，經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)處理后，可以得到h的值。玻璃管壁厚為：第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法設(shè)計一個石英玻璃管壁厚在線檢測系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍：1.5～15mm；測量精度：±0.01mm1）光源及光源準(zhǔn)直系統(tǒng)

測量光束的擴束準(zhǔn)直整形原理圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法2）接收光學(xué)系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)由擴束透鏡組和CCD接收器件組成，從被測件出射的兩束光帶著被測件厚度信息進入準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)。本系統(tǒng)的擴束系統(tǒng)是兩個鏡片組成的無焦透鏡組，擴束倍率為4，擴束倍率主要受接收器件CCD的尺寸限制。為了提高測量精度，使反射出來的兩束光有最大的寬度距離。取=49°，則k=0.3927，BC=0.7854mm。系統(tǒng)測量范圍為1.5～15mm，從被測件出射的兩光束最大距離為1.19～11.91mm，經(jīng)準(zhǔn)直擴束透鏡組后的距離為4.76～47.64mm。所以本系統(tǒng)的CCD選用有效像元為7500，像元尺寸為7μm的黑白線陣CCD器件，其有效接收范圍為52.5mm，滿足測量范圍要求。第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法精度分析1）入射激光光束與石英玻璃管軸線的夾角誤差2）由石英玻璃管水平度引起的誤差3）CCD器件與光束的垂直度誤差帶來的誤差4）CCD像元選取所帶來的誤差根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差合成法可得總誤差為：第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

三維形貌測量在逆向工程、機器視覺、在線產(chǎn)品檢測以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。逆向工程（又稱逆向技術(shù)），是一種產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)過程，即對一項目標(biāo)產(chǎn)品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能特性及技術(shù)規(guī)格等設(shè)計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。簡單說來，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。三維測量，顧名思義就是被測物進行全方位測量，確定被測物的三維坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)。其測量原理分為測距、角位移、掃描、定向四個方面。包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

非接觸式三維測量方法很多，常用的有：激光掃描測量、結(jié)構(gòu)光掃描測量和工業(yè)CT等。大體上可以分為以下兩大類，一類是二維分析法，包括遮擋陰影法、莫爾條紋法、聚焦法，光度法等；另一類是三維模型法，包括飛行時間距離探測法、被動三角法和主動三角法。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

常用的基于三角測量法的主動三維掃描技術(shù)：

點激光測量技術(shù)：通過激光發(fā)射單點到物體表面，采用傳感器在另外一側(cè)觀測，通過每一次的測量點反映物體的三維信息。其特點是精度較高，但測量速度慢，用于檢測相比三坐標(biāo)系統(tǒng)要快。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法線激光掃描技術(shù)：通過激光發(fā)射一條光線（稱為光刀）到物體表面，采用傳感器在另外一側(cè)觀測變形的光刀，通過解調(diào)光刀變形還原物體的三維信息。相比點激光掃描技術(shù)，其掃描速度大大的提高了，但也要附加運動系統(tǒng)才能得到完整的三維物體面形表示。該測量方法同樣具有精度較高的特征，代表系統(tǒng)有三維激光掃描儀，手持式掃描儀等。

第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法面掃描技術(shù)：該類技術(shù)發(fā)展成熟的主要是結(jié)構(gòu)光掃描，采用發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射面光（面激光或者條紋），采用傳感器在另外一側(cè)觀測變形條紋，結(jié)合相位技術(shù)及計算機視覺技術(shù)解調(diào)變形條紋并還原物體的三維信息。該種技術(shù)近來得到極大的發(fā)展，能夠迅速的獲取物體表面的面形信息，同時具有很高的測量精度，對測量環(huán)境低，應(yīng)用于三維掃描具有很大的優(yōu)勢，代表系統(tǒng)有照相式三維掃描儀。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法相移法三維形貌測量：通過采集投影后的變形光柵，然后再通過相位展開算法計算相應(yīng)的深度信息。投影儀光心與攝像頭的光心水平距離為d，且兩光心的水平線與參考面平行，攝像頭與參考面的垂直距離為L。當(dāng)投影儀的出射光照射到參考平面的A點時由于受到高度調(diào)制作用使照射在A點的光轉(zhuǎn)移至C點。

主要由光柵投影儀、CMOS攝像頭、計算機以及參考平面四個部分組成，光柵投影儀將光柵投射到被測物體上，CMOS攝像頭將拍攝不同相位的變形光柵并導(dǎo)入計算機進行圖像處理與分析。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法若設(shè)物體D點的高度為，則由三角原理可得:光柵投射到漫反射物體表面后，攝像頭獲取的變形刪像為：移相后采集到的四幀條紋分別為：計算得相位為：

第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法被動三維測量方式，通過攝像機，攝取不同視角上被測目標(biāo)的二維圖像，利用圖像中的某些特征進行相關(guān)或匹配運算，獲取目標(biāo)點的深度信息，重建目標(biāo)物體的三維形貌。

可采用單攝像機移動法、雙目立體視覺法或多目立體視覺法來實現(xiàn)。

空間物體深度信息提取流程第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法以雙目立體視覺為例，三維數(shù)據(jù)恢復(fù)的過程如下：1)確定攝像機的內(nèi)外參數(shù)及兩攝像機間的相對位置參數(shù),完成系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定;2)在左右兩幅圖像中提取共同的特征點與特征線;3)找到左、右兩幅圖像中的有關(guān)特征的對應(yīng)關(guān)系,即進行特征匹配;