STUDY OF NON-CONTACT MEASUREMENT OF FREE-FORM SURFACES

A non contact three dimensional measurement method is presented in this paper.This system consists of a laser triangulation probe,a probe head and a coordinate measuring machine (CMM).The measurement principle of the system is discussed,and a system calibration method employing a reference ball is proposed.The geometric model involving four frames is established to calculate the data points based on the reading of the laser probe and position information from the CMM.A measuring experiment for gesso free form surface using this system is carried out.

基于线激光的压缩机曲轴圆度和平面度测量

目前人工使用千分表测量空调压缩机曲轴圆度和平面度时存在易伤工件表面、效率低和不能精确评定等问题。针对上述问题,设计了一套基于线激光位移传感器的空调压缩机曲轴圆度和平面度非接触式测量系统。首先,通过测量标准量棒,提出一种系统误差的标定方法;其次,基于线激光采样数据,开发了一种曲轴横截面圆度测点的提取算法,并将系统误差用于测点补偿,实现曲轴圆度测量;接着根据曲轴平面测点间的斜率分离出轮廓线,通过均匀下采样方法获取精简点云数据并采用最小二乘法实现曲轴平面度测量;最后,基于上述方法开展了曲轴圆度和平面度的测量实验。实验结果表明:该测量系统的圆度测量精度<4μm,平面度测量精度<2μm,圆度重复度测量误差<0.8μm,平面度重复度测量误差<0.3μm,满足曲轴圆度和平面度快速准确的测量需求。

基于4.3 THz量子级联激光器的微米级无损厚度测量

构建和描述了一种用于获取硅片厚度的零差检测系统。利用4.3-THz激光束的传输相变与机械旋转台控制的入射角之间的关系,可以使用标准残差法精确推导被测样品的厚度值。结果表明,样品的厚度拟合值与光学显微镜的精确测量结果仅相差2.5~3μm,实现了微米级精度的太赫兹无损厚度测量。实验验证了太赫兹量子级联激光器在非接触无损测量中的有效性。

基于激光位移传感器的厚度测量校准系统设计及应用

为了提高钢板厚度校准的精度和安全性,针对传统接触式测厚仪精度低和射线类测厚仪存在辐射风险的问题,设计了一种基于激光位移传感器的差分非接触厚度测量校准系统。该系统采用差分测量结构,将激光位移传感器分别放置在待测钢板的顶部和底部,通过对传感器数据的采样和计算,实现钢板厚度的准确测量。硬件电路方面采用了STM32核心芯片进行设计,系统软件部分进行了相应的优化设计。试验后,系统重复性精度可达±0.1%,测量允许误差优于±0.05%,同时测量漂移控制在钢板厚度的±0.1%范围内。该系统不仅显著提高了测量精度,同时有效降低了测量过程中的安全风险,在钢板生产和加工领域具有重要的指导意义和应用价值。

非接触式在机测量系统设计与应用

为了提高复杂曲面结构零件铣削过程中的在机测量效率,提出了基于线激光轮廓传感器的非接触式在机测量系统。首先,依据在机测量需求设计了测量系统的系统组成、数据通信方式和指令协同模式。然后,建立了传感器安装位姿校准数学模型,设计了非接触式校准流程,实现了传感器安装位姿的标定。最后基于典型飞机结构件加工过程完成了非接触式在机测量应用。在五轴立式加工中心进行了测量实验,结果表明系统允许的最大误差不超过±20μm,实验结果验证了所搭建的在机测量系统的实用性和有效性。

基于品质因数的超声刀刀头疲劳振动评价研究

目的:针对超声刀刀头疲劳效能评价存在的难题,提出基于品质因数的超声刀刀头疲劳振动评价方法。方法:首先,搭建由电源模块、三轴移动模块、超声刀夹持模块和控制模块组成的可实现重复切割操作的超声刀疲劳试验台。其次,采用该试验台对10台某品牌超声刀实施疲劳试验,在疲劳试验的5个阶段(即未切割、500次切割后、1000次切割后、2000次切割后和3000次切割后)对超声刀刀头振动进行非接触式测量并计算其品质因数。最后,计算各阶段试验的平均切割速度和血管凝闭爆破压,以验证基于品质因数的超声刀刀头疲劳振动评价方法的有效性。结果:试验表明,品质因数指标能够有效地反映超声刀刀头的疲劳退化特征,而平均切割速度和血管凝闭爆破压由于测量过程中的不确定性因素不易控制,很难对超声刀刀头的疲劳退化水平进行有效评价。结论:提出的基于品质因数的评价方法可直接对超声刀刀头的疲劳振动进行精准量化评价。

隔离开关合闸状态的非接触自动检测方法

为了提升隔离开关合闸状态自动检测效果,采用了基于激光位移传感器的隔离开关合闸状态非接触自动检测方法,使激光位移传感器的分辨率达到最大值,优化了激光位移传感器的光学参数,提升了其位移测量精度;通过光学参数优化后的激光位移传感器,采集隔离开关轮廓曲线,得到隔离开关轮廓曲线采样点集;利用最小二乘法拟合隔离开关轮廓曲线采样点的椭圆方程,并计算隔离开关导电臂与水平方向的夹角;当导电臂夹角处于规定夹角区间内,则判定合理开关合闸到位,完成隔离开关合闸状态非接触自动检测。结果表明,该方法计算的前、后导电臂夹角分别在0.4°与0.5°左右,均低于夹角规定区间。这一结果对实现隔离开关合闸状态非接触自动检测是有帮助的。

基于激光位移传感器的可视化表面粗糙度测量系统

表面粗糙度是表面微观几何形状误差,它是评价材料加工质量的一个重要参量。传统接触式测量表面粗糙度容易造成表面划伤,且测量速度低,不适合在线测量,而非接触式测量方法能够克服上述不足。本文设计了一种基于激光位移传感器的非接触式表面粗糙度测量系统,对设定区域扫描,实现对物体表面微观变化的在线检测,通过分析反射光强的变化,获得物体表面形貌变化及偏差信息。该系统采用MP340单片机进行数据处理,借助可视化人机交互界面实时监测被测物体表面状态结果。实验测试表明,系统原理直观,测试数据精确可靠,抗背景光干扰能力强,轴向检测范围在1~80µm的测量,精度小于5µm,为实际应用提供一种技术参考。

三维激光扫描在隧洞围岩结构信息获取中的应用研究

针对接触式测量方法无法满足深部高陡岩体结构信息采集的要求,以金川二矿+650 m水平卸载站硐室掌子面为研究对象,采用三维激光扫描仪获取其表面点云数据集,并对点云数据进行处理提取岩体结构信息参数,并利用校核算法与地质测量结果验证数据的可靠性。结果表明:(1)通过对高精度获取的扫描数据进行快速处理,在控制点已知和未知的情况下,均可获取结构面的产状信息,降低了人员获取结构面信息的危险性;(2)利用最小二乘法计算产状、近似平行结构面组间距算法计算间距,以及将实测结构面产状与提取出来的结构面信息做差比较,可知倾向和倾角误差均在±6°范围以内,间距误差在±0.03 m以内,验证了提取数据的可靠性;(3)在金川二矿+650 m卸载站硐室掌子面结构面产状等信息的提取中应用了本文方法,有效识别了结构面产状信息。该项研究工作不仅避免了危险性,而且提高了精度与效率。

基于惯性基准法的非接触式轨道不平顺检测系统

随着我国轨道交通的迅速发展,轨道的维护有更高的要求。该文针对轨道不平顺问题设计一种非接触式轨道检测系统,实时检测轨道的几何状态,提高轨道检测效率。该检测系统由硬件系统与软件系统构成。硬件部分由数据采集单元、惯性测量单元和数字激光单元等组成。嵌入式软件部分采用Free-RTOS实时操作系统,上位机基于QT框架开发,可实时显示速度、里程、轮廓等信息。为提高检测的精度,该系统采用对数字激光单元和惯性测量单元空间采样,转化至时间域统一计算处理,并通过惯性测量单元算出列车与轨道的运动姿态关系,补偿因列车运动而导致的测量误差,得到更准确的钢轨几何状态。

钻杆圆螺纹参数在线测量实验研究

螺纹参数测量是质量保证的前提,也是螺纹溯源的基础。如何基于光学测量原理在狭小空间内实现高精度、高效测量螺纹参数是行业性难题。以钻杆接头圆螺纹为研究对象,基于低相干干涉法测量原理开展内螺纹测量实验,深入分析低相干干涉法测量原理,设计基于低相干干涉法的内螺纹测量方案,研究螺纹参数计算方法,并搭建简易实验平台。实验表明,采用低相干干涉法能够完整地获取圆螺纹轮廓曲线,搭建的测量实验平台重复测量精度可达0.04 mm,满足参数化在线测量需求。该研究可为钻杆内螺纹及内孔测量提供一种新的解决方案。

基于差动共焦的倾角测量传感器

为了解决传统激光差动共焦显微镜(LDCM)无法在测距的同时,进行高精度倾斜角度测量的问题,提出了一种基于差动共焦的倾角测量传感器。在对倾斜表面进行测量时,该传感器首先利用轴向扫描获取的差动响应信号精准定位其焦点位置,然后分析显微镜光瞳面场强分布并提取光斑图像的峰值位置,从而实现对倾角的精准测量。首先,建立聚焦光束经倾斜待测面反射后的光场分布模型,对不同倾斜角度下显微镜光瞳面的场强分布情况进行分析。然后,在分析倾斜光斑特征的基础上,提出了采用改进Meanshift算法进行光斑峰值位置提取的方法。最后,通过实验验证了传感器对倾角测量的有效性。实验结果表明,传感器对倾斜程度(0~8°)测量平均误差为0.011°,对倾斜方向(0~360°)的测量平均误差为0.128°,能够满足利用差动共焦非接触光学探针对三维表面进行检测的过程中,对待测表面倾斜角度测量的要求。该传感器为自由曲面的高精度轮廓测量提供了一种新的方法。

非接触式电压相量测量算法

同步相量测量技术为电网动态安全监测提供了数据基础,非接触式电压传感技术具备安全、便捷、成本低的优势,有利于测量装置实现海量布点。现有非接触式电测量的缺陷在于复杂电压经探头传变后二次侧输出电压发生畸变,难以还原一次侧电压相量。为解决电压畸变问题,文中提出了一种对带内信号分频计算的相量测量算法。首先对探头输出电压进行预处理,滤除带外信号与噪声,随后采用矩阵束法计算带内信号频率,以此构建信号模型进行时域拟合求解带内信号相量,最后将带内信号相量还原至一次侧后合成得到综合相量。仿真结果表明,所提方法能够利用探头二次侧输出电压采样值计算一次侧电压相量。实验数据显示所提方法的幅值测量误差小于4.5%,相位误差小于1°,频率误差小于0.04 Hz,频率变化率误差小于4 Hz/s。

基于非接触式测量技术的捣固车作业线路纵向水平检测系统的研发及试验研究

捣固车作业线路纵向水平测量采用传统钢丝绳弦线法,长周期使用存在钢弦磨损、断裂的风险,且钢弦抖动会影响测量精度及稳定性。针对这些问题,本文研发了一套基于非接触式测量技术的捣固车作业线路纵向水平检测系统。该系统基于位敏探测器(Position Sensitive Detector,PSD)激光测量原理,采用E型激光发射器和接收器实现激光偏移量的测量。以DCL-32连续式捣固车为例,通过加速度传感器和激光传感器获取捣固车的振动特性,在振动实验室利用该系统进行现场工况模拟试验,并与现场试验数据进行对比。结果表明:该系统能够实现35 Hz振动频率跟随,可靠、稳定地采集线路纵向水平数据。

基于非接触式测温的激光器控温系统仿真

半导体激光器件是一种以电流注入作为激励方式的半导体器件,一般其输出波长的情况与温度的稳定程度密切相关,在这样的背景下,半导体激光器想要正常工作,半导体激光器件工作温度必须稳定。现有的设备均采用接触式测温,比较典型的为PT1000热敏电阻,存在测温响应速度慢,精准度较差等缺点。本文主要侧重于尝试使用非接触测温的方式实现对半导体激光器件表面温度的采集,T型热电偶对于中低温区有较好的测量精度。随着半导体激光器温度的变化,热电偶输出电压变化量为几十微伏,利用运算放大器对热电偶输出的电压放大,补偿运算放大器的输入失调电压。使用LM35对热电偶测温电路其冷端做温度方面的补偿。利用Proteus软件进行测温电路仿真,其结果表明,电路设计简便,测温精度高。

LDV对典型电工材料表面非接触振动检测的有效性分析

为实现对电力设备表面振动的远距离测量,搭建1550 nm收发一体的全光纤激光多普勒测振仪(laser Doppler vibrometer,LDV)系统.加工不同电工材料(铁、铝合金、铜、铝、硅橡胶、高强陶瓷)表面试样,通过电磁振动台对不同距离试样施加频率为0.05~2.00 kHz的机械振动,使用研制的LDV系统对不同电工材料表面振动测量的频响特性和距离特性进行对比分析,以探究LDV技术在典型电工材料非接触振动测量的有效性.试验结果表明,所搭建的LDV系统能够在3 m的安全工作距离内,实现对不同电工材料表面在典型设备运行工况下的振动波形采集.LDV系统对除硅橡胶和铁以外的4种电工材料均有良好的振动测试效果,并且对铝合金及铝材料能够实现3~10 m的距离响应.

便携式齿轮激光测量装置的研发

基于线激光位移传感器,构建了一种能对大型齿轮的多项偏差进行在线测量的装置。该测量装置操纵线激光位移传感器对齿轮齿廓进行扫描,可测得齿轮任意齿面的数据;基于最小二乘法拟合出齿轮的齿廓曲线,并与齿轮的理想模型比较,结合径向极坐标转角比较法计算,可得出齿轮的齿廓和齿距偏差。该测量装置体积小、质量轻、易携带,采用的测量方法高效,测得的齿轮偏差精确可靠。

圆柱体工件外径非接触测量及误差分析

对于大尺寸的圆柱体工件,传统测量方法难以同时兼顾精度与效率,测量过程中误差的累积也使得结果可靠性下降。为此,基于空间分析几何理论,提出了一种新的测量方法,以实现圆柱体工件的外径测量。通过该方法,测量系统将激光传感器和高精度位移台结合,获得被测件的虚拟轴线,最后,实现具有补偿同轴度误差的大型圆柱体工件非接触式测量。该系统经实验验证后具有较高测量精度和测量效率,测量精度达到4.96μm。

非接触物体尺寸形态测量系统设计

物体的尺寸和形态是人类获取物体空间信息的重要参数。为了降低测量装置的复杂程度,提高测量精度,设计了非接触规则物体的尺寸形态测量系统。系统以嵌入式微处理器为控制核心,利用高清摄像头、激光测距仪、液晶显示屏以及声光报警电路构建测量系统。软件上采用引导图像滤波、角度测量、圆弧检测以及色彩识别并配合物体尺寸测量技术,实现了对规则物体尺寸形态的实时测量。实验结果表明,测量系统可以正确的识别物体的形态,对平面物体的尺寸测量误差小于0.6%,对三维立体物体的尺寸测量误差小于2.5%。

襟副翼长孔系同轴度光学测量系统研究

针对襟副翼长孔系零件存在的空间跨度大、被测孔径小、孔深短、相邻孔间距大、测量空间受限、无测量基准等问题,设计了一套以光谱共焦传感器为核心的非接触式同轴度光学测量系统。根据激光准直数学模型,通过使用位置灵敏探测器(PSD)和多自由度运动平台,实现了零件在空间任意状态下的基准轴线建立。系统引入90°径向光谱共焦型探头,实现小孔零件内部轮廓参数的获取,并设计相关截面圆拟合算法和同轴度智能优化算法,以解决该类零件的同轴度测量问题。试验结果表明,针对轴向尺寸总长度≥3000 mm、孔径≤10 mm、孔间距≥1000 mm的待测零件,系统具备较高的同轴度检测精度,测量误差不超过0.1 mm。