涡轮、汽轮发动机叶片等大型工件表面三维形貌测量

1、王金栋3012202020涡轮、汽轮发动机叶片等大型工件表面三维形貌测量雪原PPT工作室关于三维形貌测量三维形貌测量发展现状常见的几种测量方法相位扫描技术测量三维形貌实验结果及误差分析雪原PPT工作室三维形貌测量的背景现状 经典的几何量诸如长度、角度、平面度、直线度等的测量技术与检测手段已经日益成熟。 传统的测量内容和测量方式已经不能满足需要。 物体的外形及外形数据的获取成为人们在测量领域一个的重要的研究方向。雪原PPT工作室 大尺寸的不规则自由曲面、形体形貌的三维测量，如模具外形、涡轮设计、汽轮发动机叶片等，如何快速、高精度地获取大型物体三维表面数据，如粗糙度等成为现代工业发展中一个亟待解决

2、的难题。发展方向雪原PPT工作室 国内外在该方向上作了大量研究，通过在传统的二维触针式轮廓仪基础上增加一维移动，从而实现了三维测量。 国际上最为著名的是英国Rank Taylor Hobson公司，他们推出过一系列比较成熟的产品，并在生产实际中获得了广泛的应用。其代表性的产品是Taylor Scan 3D scanner型具有高速扫描头的表面三维轮廓仪。另外美国ZYGO公司也推出了Dektak series V型接触式表面轮廓仪。接触式测量方法的测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好，此外它还可以作为其他形貌测量技术的比对方法。雪原PPT工作室三维形貌测量的应用三维形貌测量的应用雪原

3、PPT工作室雪原PPT工作室雪原PPT工作室机械探针式测量方法光学探针式扫描探针式测量方法扫描电子显微镜测量方法位相干涉测量方法雪原PPT工作室发展现状方法方法优缺点优缺点精度精度机械探针式较大横向和纵向测最范围、接触式测量、易损伤被测表面、测量时间也较长，仪器测量方法价格比较便宜纵向分辨率01nm 横向分辨率02um光学探针式非接触测量、对物体表面无损伤、使片方便、快速、简单、信息量大、测量时间较长、需要高精度调焦系统、仪器价格贵纵向分辨率1nm 横向分辨率O1pm扫描探针式测量精度最高、纵向和横向测量范围都狭窄、对操作环境要求商、涉及的技术难题多、操作复杂仪器价格也非常昂贵纵向分辨率0.1

4、nm横向分辨率0.1nm扫描电子显微镜利用聚焦的非常细的电子束作为电子探针进行测量。适合定性测量、真空环境操作、操作复杂，测量费时纵向分辨率10 nm横向分辨率2nm雪原PPT工作室需要在两干涉光间引入频差、只能在空间位置上作逐点测量、精度较高、系统复杂应用较少具有较高信噪比、测量速度慢、数据量干涉大、数据分析繁杂、在面形测量应用较少对外界振动和空气紊流不敏感、空间载波难确定、难避免频率混叠带来误差差、能测动态相位、适用与干涉条纹瞬变的情况结构简单、调制方便、全场测量、高测量速度和精度、应用越来越广泛雪原PPT工作室 相移干涉技术、术是一种定量的波前测量技术，相移干涉术被广泛地应用在光学测试和

5、测量的各个领域，如：斑点条纹干涉、数字全息术以及三维轮廓术等。 相移技术与干涉显微镜相结合测量物体微观表面轮廓，是八十年代以来发展的技术。美国亚历桑那大学的博士研究生对干涉显微镜进行了改装，将显微镜中的参板固定在一块筒状压电陶瓷上，通过计算机控制压电陶瓷驱动参考板沿光轴方向匀速移动，使参考光与测量光之间的相位差随时间作线性变化，利用CCD面阵探测干涉场上各点的光强，从N帧光强算式中提取每一点的相位值，由相位与被测表面各点高度转换关系式，可获得被测表面轮廓的高度分布。这一系统虽然是性能较为优越的表面测量仪器。随后，相移干涉术得到了长足的发展，但它的发展主要是指一些相位提取算法、相位解包裹算法等方

6、面的发展。关于相移干涉法关于相移干涉法雪原PPT工作室相位扫描技术测量表面三维形貌示意图雪原PPT工作室雪原PPT工作室雪原PPT工作室表面轮廓的相位计算相位提取算法：相位提取算法： 理论上，只需要三次相移测量就可以计算得到被测面每一点的相位信息，任何一种相位提取算法都会给出真实的相位值，并且所有算法都会得出相同的结果。但是在实际应用中，由于各种误差以及噪声干扰的影响，不同的相位提取算法对误差因素的敏感程度不同，比如适当的增加采样的次数会减小相移误差对计算结果的影响。相移次数N的选择也是根据算法对噪声的敏感程度的选取的，一般来说采样次数N越大，位相测量误差越小。雪原PPT工作室 N帧算法又称满

7、周期等间距算法或同步探测法。这种算法在一个周期内进行等间距采样，设采样次数为，每次的相移量为=i2/N，则引入的干涉光场可表示为：根据三角函数的正交性求解，所得的相位表达式为：表面轮廓相位计算雪原PPT工作室相位去包裹算法 由上式计算出的相位分布妒(x，y)，是被截断在反正切函数的主值范围内的，其值域定义在-/2与/2之间。 可将主值范围扩展到-到 。相位分布在-到断点处的数值为m*2(m为整数)，称为受模2所包裹。为了从相位函数中计算被测物体的高度分布，必须将由于反正切函数运算引起的截断相位恢复成原有的连续相位分布，这个过程称为相位去包裹。下图为包裹在之间及去包裹后的相位分布示意图。雪原PPT工作室 上图中轮廓线的相位去包裹是在一维方向上的扩展。具体做法是：在相位图中沿着行方向扫描，当出现相位截断(两个相邻像素点的差值超过)时增加或减少2 。即在展开的方向上比较相临两个点的相位值，如果差值小于- ，则后一点的相位值加上2 ；如果差值大于+ ，则后一点的相位值减去2 。雪原PPT工作室三维曲面的形成：雪原PPT工作室误差的出现可能由以下原因所致：1杂散光的引入对测量