數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

數(shù)字化測(cè)量技術(shù)Digitalmeasuringtechnology匯報(bào)人：孟繁超數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的內(nèi)涵數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字化測(cè)量方法簡(jiǎn)介其他數(shù)字化測(cè)量方法目錄實(shí)驗(yàn)案例數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的內(nèi)涵Theconnotationofdigitalmeasurementtechnology數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的內(nèi)涵測(cè)量技術(shù)測(cè)量技術(shù)是按照某種規(guī)律，利用數(shù)據(jù)來描述觀察到的現(xiàn)象，即對(duì)事物做出量化的描述數(shù)字化測(cè)量技術(shù)其基本內(nèi)容是首先將連續(xù)變化的被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、計(jì)數(shù)、編碼、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)，最后完成數(shù)據(jù)處理、圖像處理、顯示及打印工作數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀Thecurrentsituationofthedevelopmentofdigitalmeasurementtechnology近幾年，我國(guó)的測(cè)量技術(shù)與相關(guān)儀器的研究都取得了重大進(jìn)展新型的測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量技術(shù)、測(cè)量原理、儀器設(shè)備在不斷出現(xiàn)，新型的傳感器及傳感原理，先進(jìn)的制造現(xiàn)場(chǎng)、數(shù)字化、非接觸測(cè)量、超大尺寸的精密測(cè)量、微納米級(jí)的超精密測(cè)量、測(cè)量相關(guān)理論的研究方面都有長(zhǎng)足發(fā)展數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀先進(jìn)制造空間尺寸的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的校準(zhǔn)方法及裝置取得了重大成果以正交偏振激光器為核心的技術(shù)發(fā)明大型的超精密儀器的核心技術(shù)在研究方面已取得重要突破；新型的壓電石英傳感器和測(cè)量技術(shù)成功解決機(jī)械制造當(dāng)中復(fù)雜的力學(xué)測(cè)量問題傳統(tǒng)的柵式位移傳感器發(fā)明在設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐方面取得重大突破激光合成的波長(zhǎng)納米位移測(cè)量技術(shù)解決了大范圍的高精度納米位移的測(cè)量及微運(yùn)動(dòng)的技術(shù)問題數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方法簡(jiǎn)介數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方法的簡(jiǎn)介Introductionofdigitalmeasurementtechnologymethods接觸式CMM測(cè)量CMM三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量空間，它通過感知測(cè)量頭與工件表面的接觸，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算可求出被測(cè)的幾何尺寸、形狀和位置垂直式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)水平式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)便攜式測(cè)量機(jī)接觸式CMM測(cè)量CMM三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式探頭

(a)硬式探頭(b)觸發(fā)式探頭(c)模擬式探頭接觸式CMM測(cè)量硬式接觸探頭原理通過手動(dòng)測(cè)頭接觸工件表面，由人眼及感覺做出判斷，再利用腳踏開關(guān)觸發(fā)。記錄觸發(fā)時(shí)接觸點(diǎn)坐標(biāo)值。硬式接觸探頭的性能由于接觸力的大小和接觸點(diǎn)的判斷完全依賴于操作者的感覺，極易產(chǎn)生誤差，多用于精度要求不太高的小型測(cè)量機(jī)，成本較低、操作簡(jiǎn)單。接觸式CMM測(cè)量觸發(fā)式接觸探頭原理觸發(fā)式測(cè)頭利用電子開關(guān)機(jī)構(gòu)，當(dāng)測(cè)頭碰到樣件表面，由接觸力控制電子機(jī)構(gòu)的開關(guān)，由電信號(hào)的通斷控制坐標(biāo)值的讀取。觸發(fā)式接觸探頭的性能觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)信號(hào)由電子開關(guān)控制，故其重復(fù)性、準(zhǔn)確性較高，測(cè)量精度可達(dá)1μm甚至更高，是現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)最常用的測(cè)頭。接觸式CMM測(cè)量模擬式接觸探頭原理觸針與被測(cè)表面接觸并沿被測(cè)表面直線運(yùn)動(dòng)，觸針的上下位移通過杠桿機(jī)構(gòu)傳遞給測(cè)量傳感器，傳感器的輸出值與被測(cè)量成比例接觸式CMM測(cè)量模擬式接觸探頭性能其觸針通常由金剛石制成，觸針形狀為圓錐形，針尖半徑一般為0.1～10μm，圓錐角一般為60°或90°。垂直分辨率在微米級(jí)和納米級(jí)的表面測(cè)量均可采用這種方法，若采用熱膨脹系數(shù)低的材料和非常尖的觸針，垂直分辨率可接近于0.05nm，橫向分辨率優(yōu)于0.1μm接觸式CMM測(cè)量觸發(fā)式探頭模擬式探頭非接觸非光學(xué)式掃描顯微鏡測(cè)量非光學(xué)式---掃描顯微鏡測(cè)量非接觸式測(cè)量非光學(xué)式掃描顯微鏡測(cè)量法的掃描顯微鏡主要有兩種類型：一種是掃描電子顯微鏡（ScanningElecronMicroscope，SEM）另一種是掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscope，SPM）。非光學(xué)式掃描顯微鏡測(cè)量掃描電子顯微鏡工作原理電子束經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到被測(cè)樣品上并進(jìn)行掃描，高能電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子、背反射電子和X射線等信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)接收、放大后通過計(jì)算機(jī)圖像監(jiān)視器或CRT顯示。非光學(xué)式掃描顯微鏡測(cè)量掃描電子顯微鏡工作性能目前它的分辨率約在0.5nm。掃描電子顯微鏡能通過成像觀測(cè)表面的形貌和結(jié)構(gòu)，但卻不能同時(shí)精確測(cè)定微小結(jié)構(gòu)在縱向的尺寸，此外電子束還會(huì)使某些對(duì)電子敏感的樣品產(chǎn)生輻射損傷,而且測(cè)量時(shí)間比較長(zhǎng)。非光學(xué)式掃描顯微鏡測(cè)量掃描探針顯微鏡工作原理

基本原理：AFM是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，通過將激光束照射到微懸臂上,再進(jìn)行反射及反饋來呈現(xiàn)待測(cè)物的表面的形貌和物理特性。相互作用F非光學(xué)式掃描顯微鏡測(cè)量掃描探針顯微鏡工作性能具有原子級(jí)分辨率，其橫向分辨率和縱向分辨率分別可達(dá)到0.1nm和0.01nm，可以直接觀察分子或原子。由于它們具有超高的分辨力，用于表面粗糙度測(cè)量時(shí)，目前是唯一能在x、y、z三個(gè)方向均能達(dá)到納米級(jí)測(cè)量的儀缺點(diǎn)是易受灰塵的干擾，測(cè)量條件要求比較苛刻，測(cè)量范圍小，不能測(cè)量粗糙表面，主要用于原子級(jí)或納米級(jí)表面的測(cè)量光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式---激光掃描光學(xué)式掃描測(cè)量根據(jù)三維激光掃描儀種類的不同,工作原理也不盡相同,常見的大致有三種使用脈沖測(cè)距技術(shù)脈沖測(cè)距技術(shù)相位干涉方法掃描立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源掃描成像光學(xué)式掃描測(cè)量脈沖測(cè)距技術(shù)原理測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)距儀接收，測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間t，光速c和往返時(shí)間t的乘積的一半，就是之間的距離D。光學(xué)式掃描測(cè)量相位激光測(cè)距技術(shù)原理根據(jù)調(diào)制的激光信號(hào)在待測(cè)距離上往返傳播所形成的相移，間接測(cè)出激光傳播時(shí)間，再根據(jù)激光傳播速度，求出待測(cè)距離。光學(xué)式掃描測(cè)量立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源掃描成像技術(shù)原理激光會(huì)按照先從上到下(逐行)，再從右到左(逐列)的方向來掃描投射在此矩形區(qū)域中的實(shí)際場(chǎng)景點(diǎn)。獲取的物體表面采樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。由于空間坐標(biāo)反映了掃描點(diǎn)與視點(diǎn)之間的距離，因此掃描得到的圖像稱為距離圖像或深度圖像光學(xué)式掃描測(cè)量非接觸式測(cè)量----光學(xué)式激光三角形掃描半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)聚焦透鏡形成狹窄的光束照射在被測(cè)物體上,由于物體表面粗糙不平,狹窄的光束照射在物體表面會(huì)形成漫反射,一部分反射光落在透鏡上,經(jīng)聚焦后成為一個(gè)點(diǎn)落在PSD的敏感面上獲得位置。光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式---激光三角形面測(cè)量激光三角法面形測(cè)量的基本原理是利用激光在被測(cè)樣件表面投影一光條，由于被測(cè)表面起伏極曲率變化，投影的光條隨此輪廓位置起伏而扭曲變形，由CCD攝像機(jī)攝取激光束影像，這樣就可由激光束的發(fā)射角度和激光束在CCD內(nèi)成像位置，通過三角幾何關(guān)系獲得被測(cè)點(diǎn)距離或坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----結(jié)構(gòu)光式測(cè)量測(cè)量過程中由投影裝置把光柵圖像投影到被測(cè)物體表面,同時(shí)使用相機(jī)拍攝下經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制而發(fā)生變形的光柵圖像,然后通過對(duì)變形的光柵圖像進(jìn)行處理,計(jì)算出代表物體高度的相位信息,最后根據(jù)相位信息和已標(biāo)定出的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)被測(cè)物體表面進(jìn)行三維點(diǎn)云重建。光學(xué)式掃描測(cè)量結(jié)構(gòu)光掃描沖壓模具的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----圖像分析法顆粒與背景的根本差別就在于各自灰度值的不同,因此可以利用灰度值將顆粒與背景完全分開。圖像二值化是指圖像上所有點(diǎn)的灰度值只有二種可能,不是“0”,就是“255”,即把灰度值超過某一閾值的象素賦以最大灰度值255,其余象素則賦予最小灰度值0光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----圖像分析法一幅灰度圖像和使用不同閾值得到的二值圖像結(jié)果1.原始灰度圖像2.閾值T=1003.T=1284.T1=100/T2=128光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光干涉法光干涉條件干涉測(cè)量基于光波相干疊加，因此必須滿足三個(gè)條件：

頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相差恒定。光源的尺寸大小又會(huì)影響到各種干涉條紋的干涉圖樣對(duì)比度平行平板的等傾干涉：對(duì)比度與光源大小無關(guān)楊氏干涉：只有利用狹縫限制光源尺寸，才能獲得干涉條紋楔形板形成的等厚干涉：介于上述兩種情況之間。光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光干涉法平行板干涉楔形板干涉光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光干涉法楊氏干涉光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光干涉法(1)背景濾除：對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理；(2)二值化：使干涉圖變?yōu)槎祷瘓D像；(3)細(xì)化：保留條紋中心曲線，從而提取出條紋上點(diǎn)的坐標(biāo)；(4)修像：去除細(xì)化圖像中的干擾信息，修改間斷點(diǎn)；(5)標(biāo)記：對(duì)干涉條紋進(jìn)行跟蹤、標(biāo)記不同條紋的干涉級(jí)次；(6)采樣：用等間距采樣現(xiàn)貫穿干涉圖像區(qū)間，均勻設(shè)置采樣點(diǎn)。光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光干涉法順序?qū)⒏鼽c(diǎn)連成曲線，這條曲線代表了實(shí)際波面與理想平面波在A-A截面上的偏離程度光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光柵測(cè)量法光柵測(cè)量的構(gòu)成主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動(dòng)光柵光電轉(zhuǎn)換電路等光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光柵測(cè)量法透射光柵原理反射光柵原理光學(xué)式掃描測(cè)量由于擋光效應(yīng)和光的衍射，在與線紋幾乎垂直方向上，會(huì)出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾條紋”。光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光柵測(cè)量法莫爾條紋紋距B與光柵節(jié)距w和傾角θ之間的關(guān)系：B2B光學(xué)式掃描測(cè)量光學(xué)式測(cè)量----光柵測(cè)量法光柵測(cè)量流程：光學(xué)式掃描測(cè)量直線光柵---直線位移；圓光柵---角位移平面光柵---XY位移a.封閉式b.開放式聲學(xué)式掃描測(cè)量聲學(xué)式---聲波測(cè)量聲學(xué)式測(cè)量聲學(xué)式根據(jù)用途不同，可分為兩類應(yīng)用聲波測(cè)距技術(shù)聲波檢測(cè)技術(shù)聲學(xué)式掃描測(cè)量聲學(xué)式---聲波測(cè)距聲波在其介質(zhì)中傳播被定義為縱波，當(dāng)聲波收到尺寸大于波長(zhǎng)的目標(biāo)體阻擋時(shí)會(huì)發(fā)生反射。假如聲波在介質(zhì)中的傳播速度已知，而且聲波從波源返回來的時(shí)間可以測(cè)量到，那么從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確的計(jì)算。聲學(xué)式掃描測(cè)量聲學(xué)式---聲波定位聲學(xué)式掃描測(cè)量聲學(xué)式---聲波檢測(cè)聲學(xué)式掃描測(cè)量聲學(xué)式---聲波檢測(cè)白光式掃描測(cè)量白光式掃描測(cè)量原理其他方式測(cè)量幾條公理及定理：不共線的三點(diǎn)確定唯一的一個(gè)平面；三個(gè)在同一軸上的投影面能描述物體的唯一一個(gè)可視角；在讀取量筒或量杯時(shí)需要水平讀取，不能俯視或仰視這里有三件物品：醬油瓶、水壺、水杯，放置在地板上；在不同的角度拍攝我們會(huì)看到他們會(huì)出現(xiàn)在照片的不同位置。根據(jù)畫法幾何，不共軸的三個(gè)投影表述唯一可視角。也就是根據(jù)畫法幾何我們可以計(jì)算出三個(gè)物體的位置。白光式掃描測(cè)量三鏡頭工作方式白光式掃描測(cè)量三鏡頭投影技術(shù)為解決透視問題，我們必須使用已知的平面而不是任一的投影面，這使得三鏡頭需要固定；為了對(duì)所測(cè)的唯一可視面獲得最大的范圍，所以三個(gè)鏡頭將有共同的視場(chǎng)范圍。物體表面可辨識(shí)的特征太少或太不精確；所以我們必須使用一種可辨識(shí)的技術(shù)；使用投影技術(shù)，將可辨識(shí)的光斑投影在物