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三维测量技术
当前,已经被实际应用的三维测量技术被分为两大类:即接触式测量(Contact Method)与非接触式测量(Non一Contact Method),如图1一2所示。
1、接触式数据采集方法
接触式测量又称为机械测量,即利用探针直接接触被测物体的表面以获取其三维坐标数据。坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,CMM)是其中的典型代表,它可与CADC/AMC/AE系统以在线工作方式集成在一起,形成实物仿形制造系统。机械接触式测量技术已非常成熟,具有较高的灵敏度和精度,随着光电技术的进步,近年来出现了综合接触与非接触优点的光电探测触头。尽管三坐标测量机获得物体表面点的坐标数据相对精度很高,但本身仍存在很多限制。
(1)扫描速度受到机械运动的限制,测量速度慢,且测量前需要规划测量路径。
(2)对软质材料测量效果不好,对测头不能触及的表面无法测量,如内孔,对一些边缘、尖角等几何特征的区域亦无法测量。
(3)使用接触式测头需补偿测头直径,且由于触头会磨损,需经常矫正以维持精度。
(4)测量仪器复杂,对环境要求很高,必须防震,防尘,恒温等。
(5)价格昂贵。
因此,难以满足当今高效率、高精度,大型面形的检测需要。
2、非接触式数据采集方法
非接触式数据采集方法包括激光三角法(Triangulation)、干涉法
(Interferometry)、结构光法(Structured Lighting)、图像分析法(Image Analysis),距离法(Range),puter Tomograph)
、基于磁学原理
的(ic)方法,如核磁共振成像(MRI:ic Resonance Image);声学的(Acoustic)方法,如声纳(Sonar)等。
由于计算机视觉与图像检测这一新兴学科的兴起和发展,对物体面形的三维检测技术的研究近年来集中于非接触的光学三维测量方面,常用的简述如下。
①激光三角法
随着激光技术的发展,激光三角形法逐渐得到广泛应用。它的基本原理是根据发送光与接受光之间的三角关系进行测量,光束(主要为激光)经过一个或多个旋转镜头形成光条来扫描被测物体表面,通过接受返回的信息计算出三维坐标值。一般测量范围为士5到土250mm,相对精度约为1:10,000,测量频率达40kHz或更高。接受器件常用电荷祸合器件(Charged Couple D)或者位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)。由于原理简单,测量速度快,精度高的优点,不少公司已经研发出成熟的商用产品。它的缺点是对物体表面特性和反射率有限制,如垂直壁表面、镜面反射表面、暗而无光的表面、透明或半透明材料都难以测量;复杂面形测量时还会出现遮挡情况;远距离测量被测物时测量的精度不高。
②干涉法
光学干涉方法,如经典干涉、全息干涉、散斑干涉,等等,已成为测量变形、形状和折射率变化等物理量的常用手段。干涉测量若结合相移(Phase一shifting)术、外差(Heterodyne)技术,其分辨率分别可提高至1/100与1/1000条纹,甚至1/10,000条纹。数字阵列探测器的出现和计算机技术的发展为相移技术的发展创造了条件,但是以推动压