【《三维测量方法探析的国内外文献综述》4600字】

附录三维测量方法研究的国内外文献综述目前常用的测量方法主要分为接触式测量法和非接触式测量法，接触式测量法使用简单直接，如螺旋测微器、三坐标测量机等测量方式[16]。非接触式测量主要分为声学测量、电磁学测量和光学测量三个方面。下面分别对它们的测量方式做详细的介绍。图1.2三维几何测量方法分类（1）接触式测厚度通过三坐标量机可以很好的测量物体的厚度。但这种接触式测量方式的测量精度会随着时间推移发生变化，需要定期校准，成本较高；机器本身价格昂贵，在一定程度上限制了其推广和使用，很多制造企业都很难用的起这种昂贵而不实用的设备。（2）超声波测厚度通过超声发射后，在不同介质中传播的速度不同，可以判断不同层介质的厚度，在根据回波的时间，计算出测量的厚度[19]。该方法的精度也取决于测量时间的精度。一般其精度在0.01mm～0.1mm，所用超声波频带宽度在1～10MHz。超声波测量一般都是以水为介质进行测量的，因此在测量的时候要被测物体要能够防水，超声波发生探头在发生一定频率的电磁波后，会通过水传到被测物体，经过不同的介质时会发射不同频率超声波。在两个界面处如果出现分层会直接发射不会穿过另一层介质，利用这一特性，可以很好的测量物体中的空洞和分层情况。超声波的发射率R是在测量过程中十分重要的一个参数，它与物体表面的反射通量r成正比，与入射通量i成反比，可以表示为式1.3，因为在接收方式上有所不同，所以又存在各自的特点。其运用最广泛的是超声波扫描显微镜和医学上面的B超和彩超。(1.1)但超声波对于厚度的定量检测使用飞行时间法任然有难度，对于微米级的测量，飞行时间法对于时间的计量需要十分准确，以声音在空气中的传播速度为例，声速在空气中此时为340m/s,1um的飞行时间为2.94*10-9s[20]。这对于当前的时间计量器很难做到，且成本较高，不适用于工业测量领域。（3）射线测厚度我们在对物体的厚度进行测量时，由于β射线具有很强的穿透性，因此可以由于金属材料的厚度测量。其他类型的射线要么能量过高，不易控制。要么达不到穿透钢板的能量，无法完成测量的要求。雷达波也叫电磁波，射线是其中的一种，其主要原理是先将射线通过定时发射器产生一定频率脉冲波形，这种脉冲波形频率很高，而且具有很强的定向能力，当电磁波受到物体的阻碍时就会反射一定频率的电磁波到接收机。在通过信号处理设备进行信号的放大、滤波、整形和检测后到达计算机中进行处理和分析[19]。使用雷达波不仅能够测量长距离的测量来判断目标的方位、距离和速度，也可以通过雷达的终端设备，通过信号的处理判断距出信号源离物体的三维尺寸。图1.3雷达波测距信号脉冲雷达波测距使用飞行时间法，可用公式表示如下：(1.2)在公式1.2中所示的R为物体到发射远的距离，C为光速，△T是测量的从发射到接收之间的时间间隔。两个被测量的目标在距离方向上的最小可区分距离可表示为：(1.3)其中，τ表示为脉冲的宽度，c为真空中光速，d为光点直径，υn为光点扫面速度；B为有效相关带宽。（4）电容测厚度电容式传感器主要是依靠电容的充电和放电原理来进行工作的[18]，这种厚度测量方式适用于金属板厚度的测量，在进行板材厚度测量时，如果板材厚度发生变化，电容传感器内两个极板之间的电荷量会发生突然的变化，信号通过功放之后会在电子读数表中显示出来。电容传感器的电容通常是小功率，高阻抗的电容，因此本身的发热量对于测量时的精度影响较小。（5）激光三角测量法原理激光三角法的测量速度比接触式测量速度快，成像稳定，精度高，能够达到微米级别。激光三角发从成像方式分为点激光和线激光。点激光采用激光光束投射一个光点到被测物体表面，在另一端用CCD器件接收反射的激光，得到光束点位置，根据激光束、CCD器件和被测物体之间的三角关系，得到三维坐标[21]。点激光劣势进行测量时是一点一点的进行测量，需要加上三坐标系统才能进行运行并且测量效率低下，无法达到快速测量的目的。线扫激光在点扫激光的基础上在光源位置粗添加了一个散光透镜，通过柱面镜将激光扩散为线激光后投射在物体表面形成漫反射。使反射光在CCD上成像后，通过检测CCD器件上的位置和形状变化是否发生变化来测量物体的位移距离及三维尺寸。使用激光法来对物体的高度差及轮廓进行检测是一种应用广泛的图像检测技术。激光测量具有高精度、高效率、无接触的先进检测方法，它在科学研究、空间技术以及工业生产方向等领域均运用的比较广泛。1.3.1国外研究现状三维尺寸测量时研究微小尺寸外观特性的重要一步，对于微小尺寸的测量，接触式方法是最简单直接的，三坐标量机是接触式测量发展的重要代表。Zeiss公司所制造出的F35三坐标量机[22]包含了很多精密仪器制造技术如传感器技术、控制技术和机械加工精度以及校正模块的发展。传感器的芯片的制造也随着三坐标量机得到了雨后春笋般的发展。作为精密仪器，三座标量最重要的是探针的设计，不同的尺寸、不同的材料、匹配不同的测量对象，是硬质物体还是软质物体，是曲面还是平面，是否有高度差，是否导电等情况都会探针的选取产生不同的影响[23]。当前在先进的加工制造技术下，尤其是在精密机工的过程中放电加工的应用，人们对于细微的特征很难用接触式测量进行测试，此时探针的制作和安装要求已无法达到需要的测量精度，在一些特殊场合是不允许进行接触式测量的。因此需要发展像对难度较大的非接触式测量来对特殊作业进行工作。关于非接触式测量美国康奈视公司研究的针对物体表面粗糙度和纹理检验的SmartView系统[24]通过其设计的先进照明和摄像系统完成对图像读取和纹理的检测算法，可以完成对金属和印刷电路板表面粗糙度的测试，但这种检测只能够判定而没有量化数据，对于高度测量仍然无能为力。上世纪80年代，Tekeda[25]在日本首次提出光栅相位测量法改变了这样的窘境，这种方法即后来的傅里叶轮廓术[26]（FourierTransformProfilometry,FTP）。1986年，Breuckmann博士最先提出相位测量轮廓术[27]（PhaseMeasuringProfilometry,PMP）。以上非接触式测量方式都是基于光的干涉法进行测量的。国外对于三维测量技术的研究最早是从结构光技术开始的，随着光电技术和材料研究的发展，结构光技术逐步被用到生产中去，激光三角法技术便是从结构光发展来的。德国对于三维测量系统的研究走在了世界的前列，Gom公司研发的Atos系列产品[28]投影的光栅条纹的空间频率程整数倍增长。设备有较好的测试性能。精度达到±30um。另一家德国公司研发的Comet系列产品[29]在三维测量数字化问题上取得交大的研究进展，同时提出了T-SCAN系统用于对数字化任务进行快速处理，测量时间缩短至2s。德国米依公司生产的optoNCDT2300系列产品[30]拥有不错的精度，实际测量可以精确到10um以下。1.3.2国内研究现状国内在三维测量方面的研究相较于国外来说比较滞后，这与我国的制造业发展水平紧密相关，目前国对于激光三角法传感器的研究体系仍然不成熟，虽然激光三角法的原理简单并被大家广泛所知。但仍有很多技术难点等待解决，如激光器件的选择、激光散斑的抑制、图像处理及滤波算法。相比较于国外成熟的体系，目前还处于原理研究阶段。武汉理工大学章金敏博士对激光三角法进行了深入研究[31]，并搭建了精度为140um的三维轮廓测量系统；吉林大学李演楷[32]对激光三角法传感器的精度影响因素进行了研究，其结果是激光对于白色光滑表面的反射能力更强，接收器在同样的位置所接收到的光强更强，所以测量的结果也更加准确。近年来国内产商在其生产的产品中所表现出来实用性和商业性来说进步很快，尤其是在互联网加的时代，设备更新发展的变化也日新月异。如浙江大学和杭州先临三维共同合作开发的校企合作项目OptimScan-3机型[33-34]。该三维测量设备可以将单面扫描的实际时间缩短至2s以内，最高精度为25um。清华大学和北京天远公司也在三维测量领域进行研究合作，共同开发了OKIO-1型三维测量设备[35-36]，测量最高精度可以达到25um，扫描的速度在5s左右。参考文献ADDINNE.Bib[1]王建国.半导体制造业生产调度管理系统的研究与开发[D].东南大学,2003.[2]SansoniG,DocchioF.3-Dopticalmeasurementsinthefieldofculturalheritage:thecaseoftheVittoriaAlataofBrescia[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2005,54(1):359-368.[3]KujawinskaM,SitnikR,WegielMG.Three-dimensionaldataacquisitionandprocessingforvirtualrealityapplications[J].ProcSpie,2002,4778(3):181-191.[4]LinCH,HeHT,ChenMY,etal.Fringeprojectionmeasurementsysteminreverseengineering[J].AdvancesinManufacturing,2005,9(2):153-158.[5]YoshikawaN,YatagaiT.Fringepatterncorrelatorforthree-dimensionalobjectrecognition[J].OpticsLetters,2000,25(19):1424-6.[6]KampelM,TosovicS,SablatnigR.Octree-basedFusionofShapefromSilhouetteandShapefromStructuredLight[M].IEEEComputerSociety,2002.[7]ChenF,BrownGM,SongM.Overviewof3-Dshapemeasurementusingopticalmethods[J].[8]BabaM.TheLatestTrendoftheOptical3DShapeMeasurement[J].JournaloftheSocietyofInstrumentandControlEngineers,2011,50.[9]SalviJ,PagèsJ,BatlleJ.Patterncodificationstrategiesinstructuredlightsystems[J].PatternRecognition,2004,37(4):827-849.[10]LiS,ZhangH.3Dshapemeasurementofopticalfree-formsurfacebasedonringeprojection[J].ProcSpie,2011,80-82.[11]ZhuF,LiuW,ShiH,etal.Accurate3Dmeasurementsystemandcalibrationforspeckleprojectionmethod[J].Optics&LasersinEngineering,2010,48(11):1132-1139.[12]B.Jähne,H.Haussecker,andP.Geissler.HandbookofComputerVisionandApplications.1.SensorsandImaging.2.SignalProcessingandPatternRecognition.3.SystemsandApplications.SanDiego:AcademicPress,1999.[13]达飞鹏，盖绍彦.光栅投影精密测量[M].科学出版社.2011.[14]李中伟.基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D].武汉：华中科技大学,2009:1-7。[15]郑东亮.光栅投影三维测量技术精度及可靠性研究[D].南京:东南大学,2013:1-5.[1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