《光電檢測技術及應用 第3版 》課件 第8章 外形尺寸檢測

15七月2025《光電檢測技術及應用》第8章外形尺寸檢測目錄8.1概述8.2模擬變換檢測法8.3光電掃描檢測法

光學掃描法、電掃描法8.4CCD自掃描檢測法8.5光電三維形貌檢測法①描述光電技術方法解決尺寸測量和誤差測量的基本原理；②比較光電變換原理及特點，進行外形尺寸測量系統的方案設計和單元模塊的分步驟設計；③分析影響測量系統精度的因素，對實現基本測量原理的各部分元件進行合理地選擇。第八章外形尺寸檢測教學要求第8章外形尺寸檢測一、概述

先將長度量通過光學元件變成光學量（光通量或光脈沖數），通過光電器件將光學量變成電量，這個反映被測量（或誤差）的電量通過電子技術實現自動測量和控制。1、模擬量變換法

通過光通量的變化或光通量的有無來反映零件尺寸及公差大小。影響測量準確度的主要因素主要有光電器件的靈敏度和噪聲（背景噪聲、器件噪聲和放大器噪聲）。另外對光源的穩定性也要求很高，但由于這種方法簡單，使用方便，在精確度要求不高的情況下得到應用。2、模數轉換法

用離散量來表示。檢測精度高、易于數字化和智能化。第8章外形尺寸檢測二、模擬變換檢測法經光學系統得到一束平行光，投射到被測工件上。其中一部分光通量被工件遮擋，而另一部分照射到光電器件上，工件遮擋光通量的多少取決于被測工件的尺寸大小，所以光電器件輸出的電流是被測工件尺寸的函數。光電器件輸出的電信號進行放大，然后進行信號處理，最后通過控制機構。光通量測量法第8章外形尺寸檢測二、模擬變換檢測法

從光源發出的光束經樣板和被測圓環之間的空隙而射到光電器件上，空隙的大小由被測圓環的尺寸所決定。射到光電器件上的光通量的大小會隨著被測圓環尺寸而改變，因而改變了光電流的強度，人們通過光電流大小便可確定圓環尺寸和誤差大小。活塞環檢測原理1—被測圓環2—樣板3—光源4—光學透鏡5—齒形調制盤6—光電器件第8章外形尺寸檢測二、模擬變換檢測法變化，將光電流進行放大等電路處理，不僅能測量值的大小，而且能判斷出誤差是正差還是負差，經分選后分出成品和廢品。多狹縫檢測原理

格柵向上移動時通光面積增大，向下移動通光面積減小，光電器件輸出的光電流也隨之第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法1、光學掃描法

一種激光掃描法外徑尺寸測量系統原理圖第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法

激光光束經準直、縮束、整形等處理后，入射到以固定角速度旋轉的棱鏡反射面上，反射光經發射光學系統轉換成平行于光軸的掃描光束，光束掃描過程中，被測工件對光束有遮擋并加載了被測物體的尺寸信息，此光強調制信號經接收光學系統后被光電傳感器接收，轉變為高低電平的原始脈沖信號，由電子學系統進行處理，如放大及二值化等，再填充高頻脈沖信號進行邏輯處理并計數，送入計算機系統進行實時數據處理，便可得到物體被測部位的外形尺寸信息。

第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法

第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法信號檢出和計數過程每個高頻脈沖代表的

尺寸當量（理論分辨精度）第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法位移誤差分析圖影響測量精度的主要因素：量化誤差（最小分辨率）

旋轉棱鏡8面體的幾何形狀誤差等（掃描非均勻等速）

工件在移動過程中進行檢測時帶來的位移誤差、掃描軸線與工件軸線不垂直誤差等

隨機誤差（振動、光源電源等波動、溫度等）原理誤差、測量前、測量中、測量后……激光光源本身的、背景輻射的、光學系統中各光學元件加工精度安裝定位精度等的、探測器靈敏度頻率響應等的電子電路本身噪聲的、電源波動等的、環境因素（振動、溫度濕度、空氣湍流、機床油霧等）。掃描面與工件軸線不垂直誤差第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法2、電掃描法

真空攝像管檢測法

攝像管檢測裝置的示意圖第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法設掃描電子束每掃一行的有效距離為L，定時器所計一行的脈沖數為N，則每一脈沖的當量即量化單位：若電子在掃過影像的時間內，定時器所計脈沖為n，則影像尺寸為：攝像管工作波形圖第8章外形尺寸檢測三、光電掃描檢測法光敏二極管陣列檢測外形尺寸

線陣列等效電路工作波形圖若有效距離為L，所計一行的脈沖數為N，則每一脈沖的當量即量化單位為：影像尺寸為：第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法透明材料（石英玻璃管）厚度的測量石英玻璃管壁厚測量原理第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法由折射定律：由幾何關系得：光束寬度為：此光束被線陣CCD接收，輸出兩個攜帶有被測玻璃管壁厚信息的光強脈沖信號，經電子學系統采集和數據處理后，可以得到h的值。玻璃管壁厚為：第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法石英玻璃管壁厚測量原理待測厚度HBCCCD像尺寸hh=BC

BC=OBcosOB=2HtanBC=2Htancossin=1/nsin

=arcsin(1/nsin)BC=2Htan[arcsin(1/nsin)]cos第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法設計一個石英玻璃管壁厚在線檢測系統，主要技術指標為：測量范圍：1.5～15mm；測量精度：±0.01mm1）光源及光源準直系統

測量光束的擴束準直整形原理圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法2）接收光學系統接收光學系統由擴束透鏡組和CCD接收器件組成，從被測件出射的兩束光帶著被測件厚度信息進入準直擴束系統。本系統的擴束系統是兩個鏡片組成的無焦透鏡組，擴束倍率為4，擴束倍率主要受接收器件CCD的尺寸限制。為了提高測量精度，使反射出來的兩束光有最大的寬度距離。取=49°，則k=0.3927，BC=0.7854mm。系統測量范圍為1.5～15mm，從被測件出射的兩光束最大距離為1.19～11.91mm，經準直擴束透鏡組后的距離為4.76～47.64mm。所以本系統的CCD選用有效像元為7500，像元尺寸為7μm的黑白線陣CCD器件，其有效接收范圍為52.5mm，滿足測量范圍要求。第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法精度分析1）入射激光光束與石英玻璃管軸線的夾角誤差2）由石英玻璃管水平度引起的誤差3）CCD器件與光束的垂直度誤差帶來的誤差4）CCD像元選取所帶來的誤差根據標準偏差合成法可得總誤差為：第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法微小尺寸的檢測線陣CCD衍射的方法測量微小尺寸原理框圖細絲衍射圖像當很小時，第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法對式進行微分得誤差公式為：簡化得：若使用氦氖激光，λ＝632.8nm，L=1000mm±0.5mm，d=500μm。則得：當CCD像元選用（13±1）μm，則ΔS=10μm，得誤差為：第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法S的測量方法S測量原理框圖S計算波形圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法小尺寸的檢測CCD小尺寸對象測量原理框圖第8章外形尺寸檢測四、CCD自掃描檢測法大尺寸（或高精度工件）檢測雙CCD方法大尺寸測量原理圖第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

三維形貌測量在逆向工程、機器視覺、在線產品檢測以及醫療診斷等領域的應用日益廣泛。逆向工程（又稱逆向技術），是一種產品設計技術再現過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹并得出該產品的處理流程、組織結構、功能特性及技術規格等設計要素，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產品。機器視覺是人工智能正在快速發展的一個分支。簡單說來，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝目標的形態信息，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。三維測量，顧名思義就是被測物進行全方位測量，確定被測物的三維坐標測量數據。其測量原理分為測距、角位移、掃描、定向四個方面。包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

三維形貌測量常用的方法，分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

非接觸式三維測量方法很多，常用的有：激光掃描測量、結構光掃描測量和工業CT等。大體上可以分為以下兩大類，一類是二維分析法，包括遮擋陰影法、莫爾條紋法、聚焦法，光度法等；另一類是三維模型法，包括飛行時間距離探測法、被動三角法和主動三角法。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法光電非接觸式三維測量按是否需要光源照明可分為主動式和被動式兩種，主動式采用結構光照明，通過幾何三角關系來獲取目標的深度信息。被動式測量無結構光照明，如單攝像機移動法、雙目立體視覺法或多目立體視覺法，通過攝像機，提取不同視角上被測目標的二維圖像，利用圖像中某些特征進行相關或匹配運算，獲取深度信息，完成三維形貌的檢測。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法常用的基于三角測量法的主動三維掃描技術：

點激光測量技術：通過激光發射單點到物體表面，采用傳感器在另外一側觀測，通過每一次的測量點反映物體的三維信息。其特點是精度較高，但測量速度慢，用于檢測相比三坐標系統要快。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

線激光掃描技術：通過激光發射一條光線（稱為光刀）到物體表面，采用傳感器在另外一側觀測變形的光刀，通過解調光刀變形還原物體的三維信息。相比點激光掃描技術，其掃描速度大大的提高了，但也要附加運動系統才能得到完整的三維物體面形表示。該測量方法同樣具有精度較高的特征，代表系統有三維激光掃描儀，手持式掃描儀等。

第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法

面掃描技術：該類技術發展成熟的主要是結構光掃描，采用發射系統發射面光（面激光或者條紋），采用傳感器在另外一側觀測變形條紋，結合相位技術及計算機視覺技術解調變形條紋并還原物體的三維信息。該種技術近來得到極大的發展，能夠迅速的獲取物體表面的面形信息，同時具有很高的測量精度，對測量環境低，應用于三維掃描具有很大的優勢，代表系統有照相式三維掃描儀。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法相移法三維形貌測量：通過采集投影后的變形光柵，然后再通過相位展開算法計算相應的深度信息。投影儀光心與攝像頭的光心水平距離為d，且兩光心的水平線與參考面平行，攝像頭與參考面的垂直距離為L。當投影儀的出射光照射到參考平面的A點時由于受到高度調制作用使照射在A點的光轉移至C點。

主要由光柵投影儀、CMOS攝像頭、計算機以及參考平面四個部分組成，光柵投影儀將光柵投射到被測物體上，CMOS攝像頭將拍攝不同相位的變形光柵并導入計算機進行圖像處理與分析。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法若設物體D點的高度為，則由三角原理可得:光柵投射到漫反射物體表面后，攝像頭獲取的變形刪像為：移相后采集到的四幀條紋分別為：計算得相位為：

第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法光電非接觸式三維測量按是否需要光源照明可分為主動式和被動式兩種，主動式采用結構光照明，通過幾何三角關系來獲取目標的深度信息。被動式測量無結構光照明，如單攝像機移動法、雙目立體視覺法或多目立體視覺法，通過攝像機，提取不同視角上被測目標的二維圖像，利用圖像中某些特征進行相關或匹配運算，獲取深度信息，完成三維形貌的檢測。第8章外形尺寸檢測五、光電三維形貌檢測法同一景物在間隔一定距離的兩眼視網膜上形成的像點位置不同，這個位置差就是視差，視差的大小對應物體距離的遠近，也就是深度信息。

二維圖像+深度信