激光三角同步扫描轮廓测量关键技术研究

发布时间：2017-04-21 16:02

  本文关键词：激光三角同步扫描轮廓测量关键技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着《中国制造2025》的提出和现代化工业装备制造生产的飞速发展,智能制造对先进在线测量提出了新的需求。传统的以线结构光传感器为代表的激光三角非同步扫描轮廓测量系统有其本身局限性,其表现在传感器深度方向的测量精度和横向测量视场受传感器本身几何结构限制相互制约;测量易受环境光和多重反射干扰;测量视场内被测物体材质、颜色和粗糙度等发生变化时会引起传感器测量信噪比下降。为满足高速率、高精度、强鲁棒性的先进测量要求,本文对激光三角横向同步扫描轮廓测量系统关键技术进行了研究,主要研究内容如下:1、分析了传统激光三角非同步扫描测量的优缺点,提出一种基于高速扫描转镜的激光三角横向同步扫描轮廓测量方法。精密设计的高稳定性十二面转镜扫描子系统实现了激光三角法出射光束和散射成像光速的精准同步。针对实际测量需求从光学仿真、机械设计、电气控制和软件算法四个层面精确设计了系统原理样机并进行了功能验证;2、针对系统测量原理的非线性、机械制造、光学元件安装等误差,提出了一种基于精密直线导轨和激光干涉仪的高精度非参数化系统标定模型,结合实时激光能量追踪和改进的高稳定性傅里叶描述子亚像素激光光斑质心定位算法,实现了传感器高速高精度稳定测量;3、对传感器测量信号处理链中的关键环节进行了详细分析,为高精度的先进测量奠定了理论基础。阐明了激光散斑效应是影响激光三角扫描测量系统测量性能的首要因素。利用散斑效应的一阶统计特性详细推导了系统成像光斑质心定位的极限误差,并给出了激光转镜扫描测量减小散斑误差的理论分析。通过传感器对标准平面和标准针规的扫描测量实验评定了系统的测量不确定度,验证了同步扫描轮廓测量方法的可行性和系统测量精度。
【关键词】：激光三角同步扫描 非参数化模型标定 激光散斑 误差分析
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41;TN249
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 课题研究背景及意义11-18
• 1.2.1 激光三角扫描测量11-15
• 1.2.2 激光三角同步扫描测量15-18
• 1.3 国内外研究现状18-21
• 1.4 课题来源与内容安排21-24
• 第二章 测量系统建模及优化24-46
• 2.1 激光三角测量研究现状与进展24-27
• 2.1.1 单点三角法测量原理24-26
• 2.1.2 单点三角法研究现状与进展26-27
• 2.2 系统测量原理27-28
• 2.3 光学成像系统仿真28-32
• 2.4 激光转镜扫描子系统32-39
• 2.4.1 转镜扫描系统参数32-35
• 2.4.2 扫描转镜加工制造35-36
• 2.4.3 转镜扫描驱动装置36-37
• 2.4.4 转镜扫描误差及校正37-39
• 2.5 电气控制系统总体架构39-45
• 2.5.1 总体设计方案39-40
• 2.5.2 CCD及激光器驱动原理40-42
• 2.5.3 模拟信号处理42-44
• 2.5.4 图像处理控制中心44-45
• 2.6 本章小结45-46
• 第三章 实时激光能量追踪及系统标定46-60
• 3.1 实时信号处理框架46-47
• 3.1.1 实时激光能量追踪46-47
• 3.1.2 实时测量位置坐标解算47
• 3.2 线阵CCD非均匀性校正47-51
• 3.2.1 暂态噪声48-50
• 3.2.2 空间噪声50
• 3.2.3 两点平场校正50-51
• 3.3 亚像素光斑质心定位51-54
• 3.3.1 传统质心定位算法51-53
• 3.3.2 傅里叶描述子质心定位算法53-54
• 3.4 系统非参数模型标定54-56
• 3.4.1 高精度Z轴标定54-55
• 3.4.2 确定传感器扫描光束方程55-56
• 3.5 标定实验56-59
• 3.5.1 实验平台简介56-57
• 3.5.2 质心定位稳定性实验57
• 3.5.3 Z轴标定实验57-58
• 3.5.4 扫描光束方程实验58-59
• 3.6 本章小结59-60
• 第四章 系统测量性能优化方法60-82
• 4.1 传感器测量信号处理链60-62
• 4.2 点激光束光斑大小62-63
• 4.3 光电响应模型63-67
• 4.4 激光散斑67-72
• 4.4.1 散斑产生机理67-71
• 4.4.2 转镜扫描与散斑误差71-72
• 4.5 目标表面微观结构特性72-78
• 4.5.1 物面倾斜73-77
• 4.5.2 表面粗糙度77-78
• 4.6 系统其它测量性能优化方法78-80
• 4.7 本章小结80-82
• 第五章 系统测量不确定度评定82-92
• 5.1 传感器性能参数82-83
• 5.2 误差源概述83-84
• 5.3 标准平面测量实验84-88
• 5.3.1 单点测量标准差84-85
• 5.3.2 单点测量均值误差85-86
• 5.3.3 测量不确定度合成86-88
• 5.4 标准针规扫描测量实验88-90
• 5.4.1 拟合针规半径误差89
• 5.4.2 拟合针规柱面误差89-90
• 5.5 本章小结90-92
• 第六章 全文总结及展望92-96
• 6.1 全文总结92-93
• 6.2 论文创新点93
• 6.3 工作展望93-96
• 参考文献96-103
• 发表论文和科研情况说明103-104
• 致谢104-105

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