光电检测技术及应用第8章-外形尺寸检测201607

目录8.1概述8.2模拟变换检测法8.3光电扫描检测法

光学扫描法、电扫描法8.4CCD自扫描检测法8.5光电三维形貌检测法第8章外形尺寸检测一、概述

先将长度量通过光学元件变成光学量（光通量或光脉冲数），通过光电器件将光学量变成电量，这个反映被测量（或误差）的电量通过电子技术实现自动测量和控制。1、模拟量变换法

通过光通量的变化或光通量的有无来反映零件尺寸及公差大小。影响测量准确度的主要因素主要有光电器件的灵敏度和噪声（背景噪声、器件噪声和放大器噪声）。另外对光源的稳定性也要求很高，但由于这种方法简单，使用方便，在精确度要求不高的情况下得到应用。2、模数转换法

用离散量来表示。检测精度高、易于数字化和智能化。第8章外形尺寸检测二、模拟变换检测法经光学系统得到一束平行光，投射到被测工件上。其中一部分光通量被工件遮挡，而另一部分照射到光电器件上，工件遮挡光通量的多少取决于被测工件的尺寸大小，所以光电器件输出的电流是被测工件尺寸的函数。光电器件输出的电信号进行放大，然后进行信号处理，最后通过控制机构。光通量测量法第8章外形尺寸检测二、模拟变换检测法

从光源发出的光束经样板和被测圆环之间的空隙而射到光电器件上，空隙的大小由被测圆环的尺寸所决定。射到光电器件上的光通量的大小会随着被测圆环尺寸而改变，因而改变了光电流的强度，人们通过光电流大小便可确定圆环尺寸和误差大小。活塞环检测原理1—被测圆环2—样板3—光源4—光学透镜5—齿形调制盘6—光电器件第8章外形尺寸检测二、模拟变换检测法变化，将光电流进行放大等电路处理，不仅能测量值的大小，而且能判断出误差是正差还是负差，经分选后分出成品和废品。多狭缝检测原理格栅向上移动时通光面积增大，向下移动通光面积减小，光电器件输出的光电流也随之第8章外形尺寸检测三、光电扫描检测法1、光学扫描法

激光扫描检测系统原理图第8章外形尺寸检测三、光电扫描检测法信号检出和计数过程第8章外形尺寸检测三、光电扫描检测法位移误差分析图影响测量精度的因素量化误差

旋转棱镜8面体的几何形状误差

工件在移动过程中进行检测时带来的位移误差

扫描轴线与工件轴线不垂直误差

随机误差扫描面与工件轴线不垂直误差第8章外形尺寸检测三、光电扫描检测法2、电扫描法

真空摄像管检测法

摄像管检测装置的示意图第8章外形尺寸检测三、光电扫描检测法设扫描电子束每扫一行的有效距离为L，定时器所计一行的脉冲数为N，则每一脉冲的当量即量化单位：若电子在扫过影像的时间内，定时器所计脉冲为n，则影像尺寸为：摄像管工作波形图第8章外形尺寸检测三、光电扫描检测法光敏二极管阵列检测法

线阵列等效电路工作波形图第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法微小尺寸的检测线阵CCD衍射的方法测量微小尺寸原理框图细丝衍射图像当很小时，第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法对式进行微分得误差公式为：简化得：若使用氦氖激光，λ＝632.8nm，L=1000mm±0.5mm，d=500μm。则得：当CCD像元选用（13±1）μm，则ΔS=10μm，得误差为：第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法S的测量方法S测量原理框图S计算波形图第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法小尺寸的检测CCD小尺寸对象测量原理框图第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法大尺寸（或高精度工件）检测双CCD方法大尺寸测量原理图第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法透明材料（石英玻璃管）厚度的测量石英玻璃管壁厚测量原理第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法由折射定律：由几何关系得：光束宽度为：此光束被线阵CCD接收，输出两个携带有被测玻璃管壁厚信息的光强脉冲信号，经电子学系统采集和数据处理后，可以得到h的值。玻璃管壁厚为：第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法设计一个石英玻璃管壁厚在线检测系统，主要技术指标为：测量范围：1.5～15mm；测量精度：±0.01mm1）光源及光源准直系统

测量光束的扩束准直整形原理图第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法2）接收光学系统接收光学系统由扩束透镜组和CCD接收器件组成，从被测件出射的两束光带着被测件厚度信息进入准直扩束系统。本系统的扩束系统是两个镜片组成的无焦透镜组，扩束倍率为4，扩束倍率主要受接收器件CCD的尺寸限制。为了提高测量精度，使反射出来的两束光有最大的宽度距离。取=49°，则k=0.3927，BC=0.7854mm。系统测量范围为1.5～15mm，从被测件出射的两光束最大距离为1.19～11.91mm，经准直扩束透镜组后的距离为4.76～47.64mm。所以本系统的CCD选用有效像元为7500，像元尺寸为7μm的黑白线阵CCD器件，其有效接收范围为52.5mm，满足测量范围要求。第8章外形尺寸检测四、CCD自扫描检测法精度分析1）入射激光光束与石英玻璃管轴线的夹角误差2）由石英玻璃管水平度引起的误差3）CCD器件与光束的垂直度误差带来的误差4）CCD像元选取所带来的误差根据标准偏差合成法可得总误差为：第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法

三维形貌测量在逆向工程、机器视觉、在线产品检测以及医疗诊断等领域的应用日益广泛。逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。三维测量，顾名思义就是被测物进行全方位测量，确定被测物的三维坐标测量数据。其测量原理分为测距、角位移、扫描、定向四个方面。包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法

非接触式三维测量方法很多，常用的有：激光扫描测量、结构光扫描测量和工业CT等。大体上可以分为以下两大类，一类是二维分析法，包括遮挡阴影法、莫尔条纹法、聚焦法，光度法等；另一类是三维模型法，包括飞行时间距离探测法、被动三角法和主动三角法。第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法

常用的基于三角测量法的主动三维扫描技术：

点激光测量技术：通过激光发射单点到物体表面，采用传感器在另外一侧观测，通过每一次的测量点反映物体的三维信息。其特点是精度较高，但测量速度慢，用于检测相比三坐标系统要快。第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法线激光扫描技术：通过激光发射一条光线（称为光刀）到物体表面，采用传感器在另外一侧观测变形的光刀，通过解调光刀变形还原物体的三维信息。相比点激光扫描技术，其扫描速度大大的提高了，但也要附加运动系统才能得到完整的三维物体面形表示。该测量方法同样具有精度较高的特征，代表系统有三维激光扫描仪，手持式扫描仪等。

第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法面扫描技术：该类技术发展成熟的主要是结构光扫描，采用发射系统发射面光（面激光或者条纹），采用传感器在另外一侧观测变形条纹，结合相位技术及计算机视觉技术解调变形条纹并还原物体的三维信息。该种技术近来得到极大的发展，能够迅速的获取物体表面的面形信息，同时具有很高的测量精度，对测量环境低，应用于三维扫描具有很大的优势，代表系统有照相式三维扫描仪。第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法相移法三维形貌测量：通过采集投影后的变形光栅，然后再通过相位展开算法计算相应的深度信息。投影仪光心与摄像头的光心水平距离为d，且两光心的水平线与参考面平行，摄像头与参考面的垂直距离为L。当投影仪的出射光照射到参考平面的A点时由于受到高度调制作用使照射在A点的光转移至C点。

主要由光栅投影仪、CMOS摄像头、计算机以及参考平面四个部分组成，光栅投影仪将光栅投射到被测物体上，CMOS摄像头将拍摄不同相位的变形光栅并导入计算机进行图像处理与分析。第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法若设物体D点的高度为，则由三角原理可得:光栅投射到漫反射物体表面后，摄像头获取的变形删像为：移相后采集到的四帧条纹分别为：计算得相位为：

第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法被动三维测量方式，通过摄像机，摄取不同视角上被测目标的二维图像，利用图像中的某些特征进行相关或匹配运算，获取目标点的深度信息，重建目标物体的三维形貌。

可采用单摄像机移动法、双目立体视觉法或多目立体视觉法来实现。

空间物体深度信息提取流程第8章外形尺寸检测五、光电三维形貌检测法以双目立体视觉为例，三维数据恢复的过程如下：1)确定摄像机的内外参数及两摄像机间的相对位置参数,完成系统参数的标定;2)在左右两幅图像中提取共同的特征点与特征线;3)找到左、右两幅图像中的有关特征的对应关系,即进行特征匹配;