數(shù)字化測量技術(shù)

1、數(shù)字化測量技術(shù)數(shù)字化測量技術(shù)Digital measuring technology匯報人：孟繁超數(shù)字化測量技術(shù)的內(nèi)涵數(shù)字化測量技術(shù)的內(nèi)涵數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)字化測量方法簡介數(shù)字化測量方法簡介其他數(shù)字化測量方法其他數(shù)字化測量方法目目 錄錄實驗案例實驗案例數(shù)字化測量技術(shù)的內(nèi)涵The connotation of digital measurement technology數(shù)字化測量技術(shù)的內(nèi)涵數(shù)字化測量技術(shù)的內(nèi)涵測量技術(shù)測量技術(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，即對事物做出量化的描述數(shù)字化測量技術(shù)其基本內(nèi)容是首先將連續(xù)變化的被測模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，再

2、經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、計數(shù)、編碼、數(shù)據(jù)傳輸與存儲，最后完成數(shù)據(jù)處理、圖像處理、顯示及打印工作數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀The current situation of the development of digital measurement technology近幾年，我國的測量技術(shù)與相關(guān)儀器的研究都取得了重大進展新型的測量系統(tǒng)、測量技術(shù)、測量原理、儀器設(shè)備在不斷出現(xiàn)，新型的傳感器及傳感原理，先進的制造現(xiàn)場、數(shù)字化、非接觸測量、超大尺寸的精密測量、微納米級的超精密測量、測量相關(guān)理論的研究方面都有長足發(fā)展數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀先

3、進制造空間尺寸的測量現(xiàn)場的校準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量技術(shù)成功解決機械制造當(dāng)中復(fù)雜的力學(xué)測量問題傳統(tǒng)的柵式位移傳感器發(fā)明在設(shè)計理論和實踐方面取得重大突破激光合成的波長納米位移測量技術(shù)解決了大范圍的高精度納米位移的測量及微運動的技術(shù)問題數(shù)字化測量技術(shù)方法簡介數(shù)字化測量技術(shù)方法簡介數(shù)字化測量技術(shù)方法的簡介Introduction of digital measurement technology methods接觸式CMM測量CMM三坐標測量機將被測物體置于三坐標機的測量空間，它通過感

4、知測量頭與工件表面的接觸，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據(jù)測點的空間坐標值，經(jīng)計算可求出被測的幾何尺寸、形狀和位置 垂直式坐標測量機 水平式坐標測量機便攜式測量機接觸式接觸式CMM測量測量CMM三坐標測量機接觸式探頭 (a)硬式探頭 (b)觸發(fā)式探頭 (c)模擬式探頭接觸式接觸式CMM測量測量硬式接觸探頭原理通過手動測頭接觸工件表面，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)時接觸點坐標值。硬式接觸探頭的性能由于接觸力的大小和接觸點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量機，成本較低、操作簡單。接觸式接觸式CMM測量測量觸發(fā)式接觸探頭原理觸發(fā)式測

5、頭利用電子開關(guān)機構(gòu)，當(dāng)測頭碰到樣件表面，由接觸力控制電子機構(gòu)的開關(guān)，由電信號的通斷控制坐標值的讀取。觸發(fā)式接觸探頭的性能觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號由電子開關(guān)控制，故其重復(fù)性、準確性較高，測量精度可達1m甚至更高，是現(xiàn)代三坐標測量機最常用的測頭。接觸式接觸式CMM測量測量模擬式接觸探頭原理觸針與被測表面接觸并沿被測表面直線運動，觸針的上下位移通過杠桿機構(gòu)傳遞給測量傳感器，傳感器的輸出值與被測量成比例接觸式接觸式CMM測量測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 0.110m，圓錐角一般為 60或 90。垂直分辨率在微米級和納米級的表面測量均可采用這種方法，若采用熱

6、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0.1m接觸式接觸式CMM測量測量觸發(fā)式探頭模擬式探頭非接觸非光學(xué)式掃描顯微鏡測量非接觸非光學(xué)式掃描顯微鏡測量非光學(xué)式-掃描顯微鏡測量非接觸式測量非光學(xué)式掃描顯微鏡測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（Scanning Elecron Microscope，SEM）另一種是掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）。 非光學(xué)式掃描顯微鏡測量非光學(xué)式掃描顯微鏡測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)會聚到被測樣品上并進行掃描，高能電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子

7、、背反射電子和 X 射線等信號，這些信號經(jīng)接收、放大后通過計算機圖像監(jiān)視器或 CRT顯示。非光學(xué)式掃描顯微鏡測量非光學(xué)式掃描顯微鏡測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表面的形貌和結(jié)構(gòu)，但卻不能同時精確測定微小結(jié)構(gòu)在縱向的尺寸，此外電子束還會使某些對電子敏感的樣品產(chǎn)生輻射損傷,而且測量時間比較長。非光學(xué)式掃描顯微鏡測量非光學(xué)式掃描顯微鏡測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物之間交互作用力，通過將激光束照射到微懸臂上,再進行反射及反饋來呈現(xiàn)待測物的表面的形貌和物理特性。相互作用相互作用F非光學(xué)式掃描顯微鏡測量非光學(xué)式掃描顯

8、微鏡測量掃描探針顯微鏡工作性能具有原子級分辨率，其橫向分辨率和縱向分辨率分別可達到 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，用于表面粗糙度測量時，目前是唯一能在x、y、z 三個方向均能達到納米級測量的儀缺點是易受灰塵的干擾，測量條件要求比較苛刻，測量范圍小，不能測量粗糙表面，主要用于原子級或納米級表面的測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式-激光掃描光學(xué)式掃描測量根據(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距技術(shù)脈沖測距技術(shù)相位干涉方法掃描立體相機和機構(gòu)化光源掃描成像光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量脈沖測距技術(shù)原理測距儀發(fā)射出

9、的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間t，光速c和往返時間t的乘積的一半，就是之間的距離D。光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量相位激光測距技術(shù)原理根據(jù)調(diào)制的激光信號在待測距離上往返傳播所形成的相移，間接測出激光傳播時間，再根據(jù)激光傳播速度，求出待測距離。光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量立體相機和機構(gòu)化光源掃描成像技術(shù)原理激光會按照先從上到下(逐行)，再從右到左(逐列)的方向來掃描投射在此矩形區(qū)域中的實際場景點。獲取的物體表面采樣點的三維空間坐標。由于空間坐標反映了掃描點與視點之間的距離，因此掃描得到的圖像稱為距離圖像或深度圖像光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量非接觸式測量-光學(xué)

10、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)聚焦后成為一個點落在PSD的敏感面上獲得位置。光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式-激光三角形面測量激光三角法面形測量的基本原理是利用激光在被測樣件表面投影一光條，由于被測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)系獲得被測點距離或坐標等數(shù)據(jù)。光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-結(jié)構(gòu)光式測量

11、測量過程中由投影裝置把光柵圖像投影到被測物體表面,同時使用相機拍攝下經(jīng)被測物體表面調(diào)制而發(fā)生變形的光柵圖像,然后通過對變形的光柵圖像進行處理,計算出代表物體高度的相位信息,最后根據(jù)相位信息和已標定出的系統(tǒng)參數(shù)對被測物體表面進行三維點云重建。光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量結(jié)構(gòu)光掃描沖壓模具的現(xiàn)場測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-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)式掃描測量光學(xué)

12、式掃描測量光學(xué)式測量-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=100 3.T=128 4 .T1=100/T2=128光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光干涉法光干涉條件干涉測量基于光波相干疊加，因此必須滿足三個條件： 頻率相同， 振動方向相同， 位相差恒定。光源的尺寸大小又會影響到各種干涉條紋的干涉圖樣對比度平行平板的等傾干涉： 對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)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光干涉法平行板干涉楔形板干涉光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)

13、式測量-光干涉法楊氏干涉光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光干涉法(1)背景濾除：對原始圖像進行預(yù)處理；(2)二值化：使干涉圖變?yōu)槎祷瘓D像；(3)細化：保留條紋中心曲線，從而提取出條紋上點的坐標；(4)修像：去除細化圖像中的干擾信息，修改間斷點；(5)標記：對干涉條紋進行跟蹤、標記不同條紋的干涉級次；(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。光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光干涉法順序?qū)⒏鼽c連成曲線，這條曲線代表了實際波面與理想平面波在A-A截面上的偏離程度光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光柵測量法光柵測量的構(gòu)成主光柵 - 標尺光柵，定光柵；指示光柵

14、 - 動光柵光電轉(zhuǎn)換電路等光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光柵測量法透射光柵原理反射光柵原理光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量由于擋光效應(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)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光柵測量法莫爾條紋紋距B 與光柵節(jié)距w和傾角之間的關(guān)系：B2B22sin/qw=B光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量光學(xué)式測量-光柵測量法光柵測量流程：光學(xué)式掃描測量光學(xué)式掃描測量直線光柵直線光柵 - 直線位移；直線位移；圓光柵圓光柵 - 角位移角位移平面光柵平面光柵 - XY位移位移a. 封閉式封閉式b. 開放式開放式聲學(xué)式掃描測

15、量聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式-聲波測量聲學(xué)式測量聲學(xué)式根據(jù)用途不同，可分為兩類應(yīng)用聲波測距技術(shù)聲波檢測技術(shù)聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式-聲波測距聲波在其介質(zhì)中傳播被定義為縱波，當(dāng)聲波收到尺寸大于波長的目標體阻擋時會發(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間可以測量到，那么從聲波到目標的距離就可以精確的計算。聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式-聲波定位聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式-聲波檢測聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式掃描測量聲學(xué)式-聲波檢測白光式掃描測量白光式掃描測量白光式掃描測量原理其他方式測量幾條公理及定理：不共線的三點確定唯一的一個平面；三個在同一軸上的投影面能描述

16、物體的唯一一個可視角；在讀取量筒或量杯時需要水平讀取，不能俯視或仰視v 這里有三件物品：醬油瓶、水壺、水杯，放置在地板上；v 在不同的角度拍攝我們會看到他們會出現(xiàn)在照片的不同位置。v 根據(jù)畫法幾何，不共軸的三個投影表述唯一可視角。v 也就是根據(jù)畫法幾何我們可以計算出三個物體的位置。白光式掃描測量白光式掃描測量三鏡頭工作方式白光式掃描測量白光式掃描測量三鏡頭投影技術(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； 為了對所測的唯一可視面獲得最大的范圍，所以三個鏡頭將有共同的視場范圍。v 物體表面可辨識的特征太少或太不精確；v 所以我們必須使用一種可辨識的技術(shù)；v

17、 使用投影技術(shù)，將可辨識的光斑投影在物體表面；v 從而得到物體表面的數(shù)據(jù)；v 為了得到唯一可辨識使用了數(shù)字邏輯的二進制編碼。白光式掃描測量白光式掃描測量投影投影光斑投影技術(shù)白光式掃描測量白光式掃描測量v 為了使每次測量得到的數(shù)據(jù)之間能拼合在一起；v 我們在物體表面做上相對固定的臨時特征（targets）；v 由于立體幾何的公理：不共線的三點確定唯一平面；v 所以理論上我們只要獲得3個不共線的目標點即能確定該點云的空間位置；v 由于白光的初始數(shù)據(jù)精度在0.68um，所以會出現(xiàn)重復(fù)的三點可能性不存在，尤其是人工手動貼點。白光式掃描測量白光式掃描測量標記點的定位相機編號目標點目標點IGPSIGPS掃

18、描測量掃描測量IGPS掃描測量原理IGPS掃描測量1. 激光發(fā)射器(如圖 1)發(fā)射出兩個呈扇形的激光面，這兩個激光扇面與垂直平面的夾角為 30和30(見 圖 3)，扇面的覆蓋范圍也為30激光發(fā)射器扇面夾角扇面覆蓋范圍IGPSIGPS掃描測量掃描測量IGPS掃描測量原理 2. 激光發(fā)射器呈 360高速旋轉(zhuǎn)，兩個激光扇面在測量區(qū)域內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)劃掃。 3. 該系統(tǒng)中需要接收裝置用于接收和處理來自激光發(fā)射器的信號。 4. 一個發(fā)射器對測量區(qū)域內(nèi)任何一個接收器只能獲得兩個角度信息，一個仰角，另一個則為方位角，它們都是利用時間差計算出來的IGPSIGPS掃描測量掃描測量IGPS掃描測量原理5. 只有方位角和

19、仰角兩個元素是不足以計算接收器的空間位置，還有另外一個激光發(fā)射器才可以利用三角形原理計算得到，此計算原理與經(jīng)緯儀相同IGPSIGPS掃描測量掃描測量IGPS掃描測量原理可根據(jù)被測物的尺寸和位置而隨意擺放和調(diào)整激光發(fā)射器的位置，只要保證所有的測量點被覆蓋，且每個點到最近的激光發(fā)射器的位置大于等于 2m 即可，與此同時盡可能保證發(fā)射器之間距離在 715m。所以圖 3 中激光發(fā)射器的布置可根據(jù)飛機的大小及被測點位置更為靈活化，可將外圍的 8 個發(fā)射器布置成橢圓形，也要布置成矩形，同理靠近飛機的 6個發(fā)射器也可以這樣布置；實際上，這 16 個發(fā)射器可無規(guī)則地隨意布置。IGPSIGPS掃描測量掃描測量I

20、GPS掃描測量原理=2m=2m7-15m7-15mIGPSIGPS掃描測量掃描測量IGPS掃描測量原理IGPSIGPS掃描測量掃描測量IGPS掃描測量應(yīng)用范圍工業(yè)測量(1)大部件尺寸測量：局域 GPS 對大型物件提供高精度的測量技術(shù)； (2)在線檢測：實時監(jiān)測生產(chǎn)裝配線或?qū)嶒炇已芯康馁|(zhì)量控制； (3)實時監(jiān)控：監(jiān)督起重機和傳輸系統(tǒng)的位置； (4)校準：指導(dǎo)機械設(shè)備的安裝和校準。IGPSIGPS掃描測量掃描測量IGPS掃描測量應(yīng)用范圍植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械引言案例分析超級稻種植的要求每穴要插12株苗,要實現(xiàn)超級稻機械化種植要求,播種的稻種要均勻且要沿種子長軸方向按胚

21、胎定向排列?，F(xiàn)介紹、分析一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低，并且所播種子均沿其長軸方向排列的機械式超級粳稻秧缽盤通用的播種裝置。并能實現(xiàn)超級稻沿其長軸方向定向有序每穴21粒的精密播種要求。植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械植生帶植生帶問題：植生帶的直徑會改變，即速度不能恒定調(diào)節(jié)裝置植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械利用超聲波測距初步調(diào)節(jié)速度即讓調(diào)節(jié)裝置在一定的范圍內(nèi)擺動，當(dāng)超過范圍則進行調(diào)速超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計框圖超聲波接收掃描驅(qū)動超聲波發(fā)送LED顯示單片機控制器植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械超聲波模塊單片機LED-SCM1602C植生帶式超級稻精量

22、播種機械植生帶式超級稻精量播種機械超聲波測距原理D=(v*t)/2=172T0/100(M)-T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械超聲波測距主程序流程圖開 始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波計算距離顯示結(jié)果植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械超聲波測距主程序Void main()init();while(1)super_start(); / 超聲波開始工作while(echo=0); /等待高電平 TR0=1; /打開定時器開始計時while(echo=1); /接收到信號TR0=0;/關(guān)閉計時器super_count(); /計算距離display();delay(10)植生帶式超級稻精量播種機械植生帶式超級稻精量播種機械控制電機子程序Void mettor()