接触式测量论文

接触式测量论文（精选8篇）

接触式测量论文 第1篇

逆求技术是指通过测量设备准确、快速获得物理原型表面的三维坐标点云数据,再通过三维几何建模方法重建实物CAD模型的先进技术。实物原型经反求工程技术建立CAD模型之后,可进一步利用CAD/CAE/CAM以及CIMS等先进技术进行处理,复制出实物的样品模型。

逆求技术是当前用于产品开发和仿真加工制造的一种理想的并行设计、开发手段,被放到消化吸收先进技术、大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的重要地位上。图1为逆求技术的主要组成及流程,其中数据获取是逆向工程实现的基础,也是逆向工程中的关键技术之一,数据获取方法决定了最终CAD模型质量。按测头与被测量物体是否接触,数据获取方法分为接触式和非接触式两种。

与非接触测量方法相比,接触式测量具有噪声低、精度高(可达±0.5um)、重复性好等优点,适用于对较硬的对象进行精密测量,接触式测量比较常用的是三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,CMM)。本文以车用增压器压气机叶轮的逆求为例,探讨基于WENZEL Star LH675型三坐标测量仪进行接触式测量的逆求关键技术及过程。

2数据获取

数据获取又称零件数字化, 是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标。

WENZEL Star LH675型三坐标测量仪有相互垂直的三个轴(三坐标),每个轴上有光栅尺用来读取坐标数据,测量头的功用是发出信号去读取光栅数据。测量头在离开接触表面时,机器读取坐标数据。该测量仪具有法矢量测量的功能,所测数值通过一个16位的A/D转换器处理后,可以得到探针在3D空间内的偏移量,计算出探头球心的三维法矢量方向(即该点的法线在x、y、z方向上的倾角),沿法矢量方向减去探头半径,就得到测点的三坐标值。

压气机叶轮的造型包括叶片的曲面造型和叶轮整体的实体造型两部分。其中压气机叶轮的叶片部分的形状是空间曲面,叶轮的其余部分可看成回转型实体,叶顶曲线和轮径等尺寸决定了其整体外形轮廓,叶根曲线决定了轮毂部分的造型。根据叶轮的造型特点,本文分别对叶片的凹凸面和叶轮的外形轮廓、轮毂部分采用点位测量法,对叶片的进出口圆角采用扫描测量法,只测量叶轮的一对大小叶片。在叶片测量过程中,将叶轮水平放置的工作台面设定为xy面,其垂直方向为z向,如图2所示。等z扫描得到叶片凹凸面的数据,等x(y)扫描得到叶片进出口圆角的数据,最终得到如图3所示的点云数据。

3曲面构建

目前,在逆向工程中主要的曲面构造方案有两种:一是以B样条或非均匀有理B样条曲面为基础的四边曲面构造方案;二是以三角Bezier曲面为基础的三角曲面构造方案。本文根据采集点云的曲率变化趋势,采用第一种方案进行曲面构建,在ImageWare软件中读入测量得到的叶轮表面点云数据,按点曲线曲面的数据处理流程,对测量得到的点云数据进行预处理、曲线拟合、曲面重构。

3.1 测量数据预处理

通过观察直接将与数据点集偏离较大的异常点或孤点剔除。在进出口圆角处采用扫描测量法,由于探头与叶轮表面间存在摩擦,测得的点云数据杂点较多,需对其进行平滑处理。图4为处理后的点云。

3.2 曲线拟合

通过拟合得到的曲线类型主要有插值曲线、基于公差的曲线和均匀曲线。插值曲线的优点是曲线非常精确,通过点云上的每个点;缺点是得到的曲线控制点数目较多,造成曲线有抖动现象。均匀曲线通过点云数据的平均位置,控制点在空间上均匀分布,可以调节控制点数量使曲线达到最佳光顺程度;但其拟合精度不高。基于公差的曲线是用户指定一个公差范围,设定曲线控制点的数目,可以控制曲线的误差,允许在偏差范围内控制曲线光顺,因而其精确度和光顺性都可兼顾。根据叶轮叶型曲面高精度、高光顺性要求,本文采用基于公差的曲线来拟合。图5为拟合得到的大叶片凹面边界线。

3.3 曲面重构

复杂曲面零件一般由多张曲面混合而成,其中主要是二次曲面和空间曲面。空间曲面的表示通常为样条曲面和NURBS曲面。本文涉及的叶轮叶型曲面片均为空间曲面,主要在ImageWare中通过4 条边界线、4边及点云等方法创建曲面。首先构建出叶轮一对大小叶片的凹凸面、进出口圆角处的曲面(如图6所示为重构得到的大叶片凹面),然后将各个曲面片延伸、裁剪、连接,最终得出叶型曲面模型,如图7所示。

4实体建模

在点云的测量过程中,除对叶轮的叶型曲面测量外,还分别测量了叶轮的轮毂面、外形轮廓,得到两条截面线点云数据。创建叶轮的轮毂面、外形轮廓等曲面,然后将所有曲面导入CAD软件UG中,进行裁剪、阵列、缝合等操作,得到如图8所示的叶轮实体模型。

5结束语

本文采用三坐标测量机对压气机叶轮复杂曲面进行测量,应用逆求软件ImageWare实现曲面重构,在软件UG中最终生成CAD实体模型,为后续的快速成型加工作了充分的准备。其方法有利于更好地借鉴和吸收国内外的先进技术和经验,进一步改善增压器性能,提高发动机效率。

摘要：根据接触式测量的特点,在实际逆求工作中采用WENZEL Star LH675三坐标测量机对压气机叶轮叶型曲面进行测量,用测量数据通过ImageWare软件重构叶轮叶型曲面,最终创建出叶轮的CAD实体模型。

关键词：逆求,叶轮,接触式测量

参考文献

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基于非接触摄影测量的拉索索力测试 第2篇

摘 要：开展了基于运动目标图像跟踪法的拉索索力测试研究.在拉索上布置目标测点，用摄像机获取单个及多个目标的振动图像序列，利用背景差分法进行运动目标检测，基于卡尔曼滤波法对运动目标进行跟踪，获得拉索多个目标测点的振动位移时程曲线，进而利用频率法求解拉索索力.实验结果表明，与加速度传感器的结果相比，摄影测量法测试结果可信，是基于频率的拉索索力测试方法的有效发展与补充.

关键词：索力测试；摄影测量；非接触测量；目标图像跟踪；卡尔曼滤波

中图分类号：U446.1 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2015）11-0105-06

拉索是索结构桥梁的重要承重构件，有必要在施工及运营阶段对其工作状态进行检测与评估.

传统的索力测试包括油压表法、压力传感器法、磁通量法和振动频率法.油压表测定法和压力传感器测定法一般适用于在建桥梁拉索张拉时的索力测定；磁通量法尽管在长期监测、非接触测量、传感器维护成本等方面有优势，但在初期费用投入、安装便利性等方面仍有待加强.当需要对运营阶段桥梁的

拉索进行索力测试时，频率法几乎是唯一选择.

近年来数码摄像技术有了长足发展，基于摄影的测量技术已引起国内外土木工程领域的重视.2007年，Chang和Ji[1]研究了用摄像机测量拉索振动的基本方法，包括相机校准、目标点的跟踪与对应、测点动位移获取、拉索振动频率抽取等；2008年，Ji和Chang[2]研究了基于摄影测量的拉索振动位移无目标测试技术.该技术用Canny边缘检测法对采集对象进行图像处理，通过无量纲长度匹配技术，能在不需标定目标的情况下，测量拉索的振动频率及幅值.实验室试验和现场测试结果较好；2008年，Ji和Chang[3]研究了利用光流法对测量对象进行无目标识别，可在不需进行目标标定的情况下，测量拉索的振动频率与幅值；2011年，Kim等[4]研究了基于图像法的建筑结构多点位移响应测量，并用摄影测量结合频率法，测试了一座悬索桥的索力值；2012年，Chien和Hong[5]在不使用任何人工目标的情况下，运用数字图像跟踪测试技术量测斜拉索的振动.该法利用索的直线边界，将其边缘线的中点作为伪目标点进行图像处理，得到索的振动位移时程及其振动频率.2014年，Ribeiro等[6]发展了非接触桥梁动位移测试系统，取得了15 m距离0.1 mm，25 m距离0.25 mm的测试精度.

可以看出，基于摄影测量的结构振动测试作为一种非接触测试方法，主要用于不便设置基准点的结构动位移测试，对动位移时程进行频谱分析可获得结构振动频率.这给传统的基于频率的索力测试方法增添了一个新的选择.

本文研究基于非接触摄影测量的索力测试方法.在拉索上布置目标测点，通过摄像机获取单个及多个目标与时间相关的振动图像序列，应用背景差分法进行运动目标检测，并基于卡尔曼滤波法对运动目标进行跟踪，进而获得拉索目标测点的振动位移时程曲线，最后利用频率法求解拉索索力.这一方法的最大优势在于操作简单、成本低，不需要安装传感器，且能同时跟踪多个测点.本文通过2个实验将该法与传统的频率法测试结果进行了对比.

1 运动目标检测

运动目标检测是将图像序列中的目标从背景图像中分割出来，检测效果直接影响后续目标跟踪的精确性.本文采用背景差分法[7]进行运动目标检测，进而对二值化后的差分图像进行形态学处理.

背景差分法是选取参考图像作为背景图像，并用当前图像与背景图像相减来检测运动目标.设参考图为：I.1（x，y），一幅包含有运动目标的图像为I.2（x，y），记两图像之差为：

2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波是由数学家Kalman在1960年提出的一种最优的数据递归处理算法，常用于运动估计.它以一个预测方程和一个校正方程为基础，运用递归方法对动态系统的状态序列进行线性最小方差误差估计.它只用当前帧的观测值和前一时刻的估计值，利用预测和校正方程，来预测新的估计值.

应用卡尔曼滤波器对运动目标进行实时跟踪包括以下4个步骤：滤波器初始化、预测、目标匹配和状态更新.

初始化：分别设置目标初始速度、P和Q初值.

预测：由预测方程预测运动目标在当前帧中的运动状态和误差协方差.

目标匹配：设定一以n×1维状态向量为中心的区域进行搜索，寻找该帧图像内的最佳匹配区域.

状态更新：根据实际的测量值与先验估计值，通过卡尔曼滤波器进行状态更新以获得后验估计值，并重复以上步骤.

该算法对运动目标的跟踪效果良好，可克服小噪声干扰，减小特征匹配的搜索范围[8-9].图3为卡尔曼滤波器对一振动拉索上安装白色圆形标识的跟踪过程.由图可知，即便在采集的图像较为模糊的情形下，白色标识仍能够被准确跟踪识别.拾取标识的圆心坐标变化就可得拉索的振动时程响应.

3 索力计算

通过上述步骤对目标进行实时跟踪，可得到图像序列中每一帧图像特定目标点中心的振动时程响应.使用快速傅里叶变换（FFT）对该点的位移响应进行频谱分析，可得到该目标的振动频率.

4 实验测试

为了验证基于摄影测量拉索索力测试方法的精度及实用性，在实验室做了2个实验.实验1：用POINT GREY数字工业摄像机FL3-GE-13S2C-C获取图像，它能以31 fps的采样速度获取480×640像素的图像，该实验对应单一目标.实验2：用普通手机（Apple iPhone 4S）的摄像头，以24 fps的采样速度获取1 920×1 080像素的图像，该实验为多目标.两实验结果均与东京测器的DC-204R动态应变仪测试结果和安装在锚固区的压力传感器测试结果对比.

试验时，在实验室两基座间张拉一根预应力钢绞线，计算长度为10.37 m，由7根直径为5 mm的钢筋组成，公称直径为15.2 mm，截面面积为139 mm2，每延米理论质量为1.101 kg，并用千斤顶施加5～10 kN不等的张拉力.在钢绞线跨中位置贴上目标，并将摄像头对准，调好焦距，确保钢绞线上的目标能完整地被摄像头拍摄到，且在振动过程中不会超出视频范围.现场实验设置如图4所示.

4.1 实验1：单目标测试

在钢绞线上贴一个目标，并用POINT GREY数字工业摄像机记录钢绞线在不同张拉力下的自由振动情况，如图4所示.利用基于卡尔曼滤波的目标检测技术得到目标点位移时程及频谱分析结果，如图5所示，前四阶振动频率测试结果见表1，其中索力计算结果利用实验得出的基频由式（15）计算得到.

可以看出，基于摄影测量得到的拉索振动频率与索力和由加速度传感器所得到的结果相比，误差均在2.7%以内，可以满足一般的拉索索力测试要求.

4.2 实验2：多目标测试

实验时，在钢绞线上贴上大小、形状不一的3个目标，用手机同步采集多个目标的振动视频图像.图6为多目标测量时连续5帧图像的跟踪结果；目标点位移时程及频谱分析结果如图7所示；前四阶振动频率及索力计算结果见表2，其中索力计算结果由式（15）得到.

结果表明，摄影测量能同时跟踪多个目标的振动，不同目标的各阶模态测试频率相近，索力测试误差在2.7%以内，且不同形状的目标对实验结果无明显影响.在实际应用中，基于摄影测量的非接触测试方法可拓展到多根拉索的索力测试，大大提高工作效率；在测试索体上布设多个目标点，可以测试索体振动模态；实验2仅用手机摄像头就能较精确测试拉索振动频率，使得索力测试过程更为方便.

5 结 论

高精度摄像机的发展和普及使得摄影测量在土木工程中的应用变得更为便利.本文研究了摄影测量在拉索索力测试中的运用.用普通摄像头或者手机进行图像采集，得到图像序列，这些图像序列经过二值处理和目标追踪检测，即可得到目标的位移时程图，最后利用频率法求解拉索索力.这一方法最大的优势在于操作简单、成本低、不需要安装传感器，且能同时跟踪多个测点.

通过2个实验验证了该方法的精确性.测试结果表明，该方法与传统加速度传感器测试结果误差较小，实验结果误差均小于3%.实验采用的摄像头为31 fps，640×480像素和24 fps，1920×1080像素，可以预见，如果采用分辨率更高、采样速度更快的摄像头，测量精度及适用范围将值得期待.本文提出的方法还有一个优势，即可以同时采集多个目标位置的位移响应，提高测试效率；通过多台摄像机的测试、图像融合及模态识别技术，可获取拉索的振动模态.因而，基于摄影测量的拉索索力测试方法是传统频率测试法的补充与拓展.下一步将研究摄影测量技术在实桥拉索索力测试中的应用.

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非接触式自动测量系统设计 第3篇

几何量的测量与检验在现代制造业中占有重要的地位,在各种几何量测量仪器仪表中,光学仪器由于具有测量精度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点,因而占据着重要的地位[1]。万能工具显微镜(Universal tools microscope)作为传统的二维坐标测量系统,在几何量测量中具有最为广泛的应用[2]。然而,万能工具显微镜的测量过程比较繁琐,操作人员的劳动强度较大,测量效率低,人为误差较大[3]。随着现代通讯、计算机和制造技术的迅速发展以及生产生活活动中自动化的需要,人们要求更加安全可靠、方便快捷地获取信息。传统的万能工具显微镜已不能够完全满足目前高速、高效、高精度的检测要求。

本文设计了一种基于万能工具显微镜的二维非接触式自动测量系统。本系统应用光栅信号采集与处理技术、图像采集与处理技术,实现对被检测零件能够准确对边、对线,并能精确测得测量点的二维坐标,结合应用AutoCAD二次开发技术可重建工件二维轮廓,实现对长度、角度、圆直径等几何量的自动精密测量。该系统采用了高精度的光栅尺和高精度的CCD相机,并在装调时确保了光栅尺和CCD相机具有足够的安装精度。同时讨论了自动测量中所采用噪声处理、边缘检测、亚像素定位等关键算法。实验证明,该系统在保证测量要求的同时,具有非接触、高精度、快速高效、可靠性高等特点。

1 自动测量系统的构成及其工作原理

1.1 系统的组成

图1为基于万能工具显微镜的非接触式自动测量系统原理图。该系统主要由光栅采集与处理系统、图像采集与处理系统、计算机系统以及相应的机械结构等组成。光栅采集与处理系统由高精度光栅尺和信号采集卡构成。图像采集子系统由CCD相机和图像采集卡等构成。计算机数据处理系统主要由计算机硬件和数据处理软件构成。利用高精度光栅尺测得被测物体的整数位读数,运用图像处理测量算法对所获取的图像进行数据处理,测得被测物体的小数位读数,将两部分读数结合通过AutoCAD软件自动读取完成测量尺寸数据的显示。

1.2 系统的工作原理

本系统的基本工作原理为:

1.万能工具显微镜结构改造:(1)在纵向和横向导轨上分别安装高精度光栅尺,用光栅信号采集卡采集纵向和横向光栅信号,经计算机数据处理获取被测物体测量尺寸的整数部分[3]。(2)在万能工具显微镜的工件检测目镜和纵向和横向读数目镜的位置上分别安装工件检测CCD和纵向和横向读数CCD。当工件检测CCD图像中的检测对象经过工件对边或对线图像处理后,用亚像素级线定位技术精确定位万能工具显微镜导轨上玻璃尺的毫米刻线在纵向和横向读数CCD图像中的位置,然后细分两刻线间的距离,以测得被工件尺寸值的小数部分。

2.获取相关的测量数据后,将数据转换成AutoCAD可读文件,由AutoCAD软件读取文件中的数据并绘制二维图形,利用其标注功能直接读取工件的几何量值,实现被测工件的直径、角度、长度等测量。

3.测量长度只需测得两点坐标后即可得线段长度;测量直径需测得边界圆上任意三点的坐标值,计算出直径;测量角度需测得两边上任意各两点坐标值,计算出角度值。本系统采取多次测量取平均值的方法以减少测量值的随机误差。

2 非接触式自动测量软件的关键算法

2.1 图像滤波降噪处理

在图像产生、传输和变换的过程中,由于各种因素的影响,往往会使图像与被测物体或原始图像之间产生差异[4]。因此,在对图像测量之前要进行各种预处理,以降低噪声的干扰,减小噪声对测量精度的影响。常见的图像噪声包括光学成像及采样过程中常会出现的混叠噪声、插入噪声、抖动噪声、电子噪声等。而边缘的检测和提取往往对噪声比较敏感,因此需要在检测前对图像进行滤波降噪处理[5]。本系统CCD采集的图像特点是整体亮度大致可由照明系统调节,对比度较好,噪声点多为离散点,且和工件之间灰度值差别较大,有效信息区域位置较为固定。因此适合用阈值法作前期图像去噪处理。采用的阈值法是迭代法[6]。具体步骤如下:

首先设定图像最大最小灰度值的平均值为初始阈值S0,S0将图像分为前景Gu和后景Gv,再分别求出Gu和Gv的平均灰度值u、v:

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式中:Gui、Gvi分别是Gu、Gv中第i个像素点的像素灰度值,m、n分别是Gu、Gv中的像素点个数。然后重新计算阈值Sp:

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重复上述过程,当迭代到|Sp-Sp-1|<ε1时,Sp为最佳阈值,ε1为评价最佳阈值的评价标准。该方法对本系统CCD采集的图像预处理效果好,能滤除大部分背景噪声,为后续的工件对边、对线工作提供了保证。

2.2 最优平衡灰度统计法边缘检测

通常,根据不同的处理对象,选择基于不同数学算子的边缘检测方法,如梯度算子、Robert算子、Prewitt算子等。但是这些算子往往存在对边界噪声敏感,计算量大,耗时长等缺点,无法满足动态图像快速检测的要求[7]。本文提出了一种新的边缘检测新方法最优平衡灰度统计法。本方法可在较小范围内作算法处理,迭代次数少,速度快、效率高,提高了边缘检测精度。具体步骤如下:

首先将工件的边界移至图像CCD成像视口中央区域内(本系统取77),计算出该区域的平均灰度值undefined:

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其中Gi为中央区域内各像素点的灰度值;然后,通过以下公式计算当前最优平衡值T0:

T0(a)=aMIN{G1,G2,,G49}+(1-a)MAX{G1,G2,,G49}a∈(0,1) (4)

式中:a为最大和最小灰度值的参考权衡因子,具值与环境参数(湿度、温度、光强等)有关,可通过以下算法得出最优因子A:

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接着,将最优因子A条件下的最优平衡值T0与最大和最小灰度值的平均值作差得检测精度评判对象Δ0:

Δ0=|T0(A)-(MIN{G1,G2,,G49}+MAX{G1,G2,,G49})/2| (6)

再根据Δ0的大小微调万能工具显微镜的X向和Y向导轨上的微调旋钮,使工件台在XOY平面内移动,改变工件在CCD成像视口中的位置,整个微调过程都有上述算法动态迭代跟踪,整个边界检测过程直至Δ0<ε2时结束,ε2是边界检测精度评判标准。

2.3 亚像素级线定位

在本系统获取的图像中,毫米刻线可以看作是灰度对称的矩形,针对此特点,采用灰度重心算法来实现亚象素级定位。具体方法如下,面阵CCD获取X向和Y向所采集图像中刻线的二维信息后,在某一宽度方向可通过质心算法求得质心点的亚像素坐标(Uxi,Uyi)或(Vxj,Vyj):

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或

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(Xp,Yp)、(Xq,Yq)是刻线像素点的坐标,其中Xp、Yq是像素在刻线宽度方向的坐标值,Gp、Gq是该像素点的灰度值,n1、n2是刻线在某一宽度方向的像素个数,m1、m2是刻线在长度方向的像素个数。用同样的方法遍历整个刻线的长度方向,可得到若干个亚像素位置坐标值(Ux1,Uy1),(Ux2,Uyj), , (Uxm1,Uym2)或(Vx1,Vy2),(Vx2,Vy2),,(Vxm2,Vym2),然后将这些点用最小二乘法拟合一条直线[8],该直线就是刻线在图像中的位置。

在进行工件对线操作时,同样采用灰度重心亚像素定位方法。首先将工件上的线纹粗调至CCD成像视口中央,大约成水平或竖直状态,再在线纹宽度方向求得质心点的亚像素坐标:Uxi或Vyj,然后用此坐标值与图像中心整像素点的横坐标值WXmid或纵坐标值WYmid作差得定位精度评判对象Δ1:

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再根据Δ1大小微调万能工具显微镜的X向或Y向导轨上的微调旋钮,使工件台在XOY平面内移动以改变工件在CCD成像视口中的位置,整个微调过程都有上述算法动态跟踪,整个对线过程直至Δ1<ε3时结束,ε3是线定位精度评判标准。经实验验证此线定位技术可实现对工件精确对线。

3 系统测量软件

本系统的软件序设计是在Windows操作系统下采用Boland C++Builder 6.0完成的。为了使本自动测量系统的软件便于设计、组织、调试、修改和维护,要求整个软件系统的结构清晰,分工明确,各个模块既相互联系,又相互独立。根据本系统自动测量功能要求,将测量系统软件分为以下六个模块:工作过程控制模块,用户界面及接口功能模块,图像采集、处理模块,光栅数据采集、处理模块,运动控制模块,数据处理及误差评定模块。图2为系统软件的界面图。

4 实验及结果分析

为了验证本测量系统方案的可行性和测量精度,对不同的零件进行了实际测量。本文对选取标称值为19.988 mm的环规和标称值为30.5°的角度块作为被测工件,运用本文设计的基于万能工具显微镜的非接触自动测量系统对环规直径和角度块的角度进行了综合测量。在温度、湿度等其它实验条件不变的情况下,每间隔3 min测量一次,共测量了10次。AutoCAD自动读取测量过程中计算机记录的数据文件,完成二维重建和尺寸标注显示。其结果如下表:

根据表1和表2,在10次读数中,本文设计的非接触自动测量系统对整数部分的识别率为100%。由测试结果可知,系统准确度满足要求,且重复性较好,表明本系统在实际测量中是可行的。同时,还发现,要使系统更加稳定可靠,还要对误差来源进行分析,采取相应措施以减小误差,提高系统的测量精度。

5 小 结

本文在分析了传统万能工具显微镜优缺点的基础上,设计改造了一种基于万能工具显微镜的非接触自动测量系统。该系统将图像处理技术与光栅测量技术相结合,运用AutoCAD二次开发技术实现对长度、角度、圆直径等几何量的自动精密测量,提高了测量效率和精度;解决了有万能工具显微镜在实际使用中存在的读数过程烦琐、测量时间长、人员主观误差相对较大等缺点,实验结果表明,本系统具有较高的测量精度。同时,本文提出的设计改造方法对于传统万能工具显微镜测量系统的改造有着一定借鉴意义。

摘要：为了提高工件测量自动化程度和测量精度,设计了基于万能工具显微镜的非接触自动测量系统。对该系统所采用的图像去噪、边缘检测、亚像素定位等算法进行了研究;首先,在纵向和横向导轨上分别安装高精度光栅尺,用光栅信号采集卡采集纵向和横向光栅信号,经计算机数据处理获取被测物体测量尺寸整数部分;在工件检测目镜和纵向和横向读数目镜的位置上分别安装工件检测CCD和纵向和横向读数CCD,经过图像处理测得尺寸小数部分;然后,将两部分尺寸输入到AutoCAD中自动绘图标注显示最终测量结果。实验结果表明:该系统具有较高的测量精度,基本满足实际测量中快速、高精度的要求。

关键词：万能工具显微镜,非接触,图像处理,边缘检测

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非接触式高度测量仪的设计 第4篇

1 非接触式高度测量的原理

物体三维接触式测量的典型代表是坐标测量机 (CMM, Coordinat Measuring Machine) 。CMM是一种大型精密的三坐标测量仪器, 它以精密机械为基础, 综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术, 能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。

三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器, 有其显著的优点, 包括:

(1) 灵活性强, 可实现空间坐标点测量, 方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数;

(2) 测量精度高且可靠;

(3) 可方便地进行数字运算与程序控制, 有很高的智能化程度。

早期的坐标测量机大多使用固定刚性测头, 它最为简单, 缺点也很多。主要为

(1) 测量时操作人员凭手的感觉来保证测头与工件的接触压力, 这往往因人而异且与读数之间很难定量描述;

(2) 刚性测头为非反馈型测头, 不能用于数控坐标测量机上;

(3) 必须对测头半径进行三维补偿才能得到真实的实物表面数据。

针对上述缺陷, 人们陆续开发出各种电感式、电容式反馈型微位移测头, 解决了数控坐标测量机自动测量的难题, 但测量时测头与被测物之间仍存在一定的接触压力, 对柔软物体的测量必然导致测量误差。另外测头半径三维补偿问题依然存在。三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三维补偿的难题, 但三维测头仍存在接触压力, 对不可触及的表面 (如软表面, 精密的光滑表面等) 无法测量, 而且测头的扫描速度受到机械限制, 测量效率很低, 不适合大范围测量。

光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为两大类:被动式与主动式。主动式是利用特殊的受控光源 (称为主动光源) 照射被测物, 根据主动光源的已知结构信息 (几何的、物体的、光学的) 获取景物的三维信息。被动式是在自然光 (包括室内可控照明光) 条件下, 通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息[2]。

处于初始状态时, 高重复精度接近开关位于直线模组的最高位置处, 将被测量的工件置于工作台上, 步进电机驱动直线模组上的滑块下滑, 高重复精度接近开关向下运动。当高重复精度接近开关接近工件表面时, 高重复精度接近开关采集到上升沿脉冲信号, PLC的高速中断端口接收到该上升沿脉冲信号, 从而使步进电机停止运动。通过计算步进电机走过的距离, 可以算出工件的高度。接着, 高重复精度接近开关向上升, 回到直线模组的最高处。

2 非接触式高度测量仪的设计

本文设计出一种非接触式高度测量仪, 使用该测量仪进行工件高度的自动化测量, 避免人工操作时的人为因素, 同时造价便宜, 具备高度的性价比。

本文所设计的非接触式高度测量仪, 主要包括底座、电气柜、直线模组、传感器、步进电机、按钮和指示灯。底座表面采用磨削工艺达到良好的表面质量, 使工作台的上表面具有较好的平面度、粗糙度。直线模组和底座的上表面相垂直, 步进电机驱动直线模组上的滑台上下运动, 在滑台上固定有传感器, 该传感器为高重复精度接近开关, 电气控制系统置于电气柜内部。

高重复精度接近开关, 应用高速运转高精度定位, 重复精度可达0.005mm, 可用于CNC等产品。本机构的电机采用步进电机, 它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下, 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响, 当步进驱动器接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度, 称为“步距角”, 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量, 从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 从而达到调速的目的。驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计, 例如, 导通延时、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。

本机构的电机采用步进电机, 它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下, 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响, 当步进驱动器接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度, 称为“步距角”, 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量, 从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 从而达到调速的目的。驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计, 例如, 导通延时、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。

电气控制系统以信捷XC2-16T-E为控制核心[3]。8点NPN型输入, 8点继电器 (R) 或晶体管 (T) 输出, AC220V (E) 或DC24V (C) 电源, 不外接扩展模块和BD板可带时钟, 可对数据进行掉电保持, 支持基本的逻辑控制和数据运算, 支持高速计数、脉冲输出、外部中断、C语言编辑功能块、I/O点的自由切换、自由格式通讯 (选配) 等功能[4]。

3 结束语

本设计已制作成功非接触式高度测量仪的实物模型, 在非接触式高度测量仪开发的基础上, 可以为后续的非接触式高度测量仪用于大规模工业生产的开发建立开发平台。

摘要：根据现代测量中尽可能排除人类干扰与影响的思想, 开发制作了非接触式高度测量仪的机械系统和控制系统。本文基于三坐标测量仪的机械结构, 并根据加工工艺, 详细研究传感器测量参数, 充分发挥设备的测量精度优势, 并利用PLC实现了测量系统的稳定控制。利用可编程序逻辑控制器对测量仪进行集成控制, 在测量的精度、速度、人机交互方面表现出卓越性能。

关键词：非接触式测量,精密检测,PLC

参考文献

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接触式测量论文 第5篇

Hannele Hiidenhovi、Pekka Laippala、Kaija Nojonen ( 2001) 针对门诊服务开发了包含12个指标的测量量表[3], 但由于中外医疗服务提供方式的差异性, 不能直接引入至国内。另外, 该量表针对每一个接触环节, 只有一个测项, 其效度有待进一步验证。我国学者李霞、薛迪、丁瑾瑜从门诊患者视角、门诊医生视角探究门诊服务过程质量评价方法, 但未形成完整的门诊服务质量测量量表。凌娟 ( 2011) 从服务接触视角针对门诊服务设计了服务质量测量量表[4], 但未涵盖检查、检验环节, 且未涉及环境接触。印度学者Nandakumar mekoth ( 2011) 的研究涵盖了检查、检验环节[5], 但由于印度和中国医疗服务市场的差异, 缺乏代表性和针对性。基于此, 本研究针对中国情境下门诊服务特征, 从服务接触视角对门诊服务质量进行了进一步修正, 以保证门诊服务质量测量量表的可靠性和有效性。

1概念界定与初始题项的生成

1. 1概念的界定

修正量表的一个重要前提是对概念进行界定。本研究依据范秀成 ( 1999) 提出的服务接触扩展模型[6], 结合门诊服务特征, 将门诊服务接触质量界定为患者在就医体验过程中通过与有形环境与设备、医务人员及服务系统的互动而形成的对门诊服务总体认知和态度。本研究所界定的门诊服务质量的范畴包括三个方面: ( 1) 门诊服务质量的评价主体是患者; ( 2) 患者感知的门诊服务接触对象涵盖了就医过程中的有形环境与设备、医务人员和服务系统; ( 3) 从评价的内容看, 由于门诊服务的特殊性, 治疗效果往往不能立竿见影, 且评价的节点是取药结束阶段, 因此, 本研究中的评价内容未将服务结果纳入, 主要聚焦于患者对门诊服务传递过程的感知。

1. 2初始题项的生成

本研究中门诊服务质量初始题项的来源主要包括三个途径: 文献研究、关键事件法和访谈法。首先对门诊服务质量方面的国内外文献进行了系统收集、归纳与整理。为保证描述的准确性, 对国外服务质量测量量表进行了翻译回译。在此基础上, 归纳出51个题项。

为实现门诊服务质量测量量表的本土化, 本研究进一步采用关键事件法和深度访谈法收集关于门诊服务质量的关键词条。通过问卷星和四川大学MBA教学平台发放问卷进行关键事件的收集。我们要求调查对象回忆最近一次在接受医疗服务过程中, 所经历的一次最满意或最不满意的事件, 然后回答以下问题: “这一事件是最满意的还是最不满意的? 该事件发生的时间? 请您描述发生这一事件的经过? 这一事件涉及哪些人? 不满意或满意的原因是什么?”。本次调查共发放问卷585份, 为了确保数据的有效性, 采用以下标准对问卷进行筛选: ( 1) 事件描述必须站在患者的角度, 情节完整, 细节充分, 且反映服务提供者与患者 ( 受访者) 之间的直接接触; ( 2) 为了防止记忆偏差, 剔除事件发生时间超过半年的问卷。最后, 获得有效问卷446份, 其中满意事件122件, 不满意事件324件。采取内容分析法对关键事件进行分析, 将出现频率较多的服务质量要素进行归纳整理, 形成了30个题项。

对来自文献研究和关键事件分析的题项进行汇总, 通过初步分析处理后, 将含义相同或类似的题项进行合并处理。邀请4名医院管理专家、3名医院门诊管理人员、3名患者代表, 共10位专业人士对汇总后的题目进行内容项目的评价和筛选。根据Bennett和Robinson ( 2000) 的建议[7], 题项的评价和筛选主要参照以下三个标准: 首先, 分析各题项的描述是否清晰、准确, 尤其需要注意是否存在歧义; 其次, 分析各题项能否准确表达所要测量的概念; 再次, 对各题项所描述的服务质量的内容在门诊服务接触中是否具有普遍性进行评定。采取李克特5级量表进行评价, 根据10位专业人士对各个题项的评定, 将均值低于2的题项予以删除, 最终得到19项对感知服务质量内容的描述, 如表1所示。

2量表的预测试与题项净化

预调研的目的是通过初步调查获得基础数据, 通过对初始量表进行信度和效度分析, 对问卷进行修正和完善。本研究根据邱皓政等 ( 2009) 的建议[8], 依据下列五项标准检验题项, 以确定题项是否删除或保留, 具体包括: 遗漏值检验, 项目分析, 项目总体相关分析及删除项目后内部一致性系数是否提高, 因子分析结果中各题项在所属因子下的因子载荷值。

2. 1预调研样本概况

调查问卷包括23个题项, 考虑研究时间、人力与成本等因素的限制, 采取方便抽样的方式, 于2012年9月至2012年10月在成都市第五人民医院、成都中医药大学附属医院、四川大学华西医院抽取了340位具有填写意愿的患者进行问卷调查, 共发放问卷340份, 剔除无效问卷55份 ( 剔除标准为规律性作答或漏答较多) , 共回收有效问卷285份, 问卷的回收有效率为83. 82% , 满足了样本容量的要求 ( Gorsuch, 1983; 吴明隆[9], 2003) 。采取李克特7级量表调查患者对门诊服务质量的感受, 样本概况如表2所示:

2. 2遗漏值检验与项目分析

遗漏值检验显示各题项不存在显著的遗漏偏差, 因此, 各题项均予保留。本研究针对每个题项, 以高分组和低分组为分组变量, 进行了独立样本T检验, 由此判断各题项是否具有鉴别度。数据分析结果显示, 所有题项的t值均具有显著性, 说明所有题项均具有良好的鉴别度, 因此, 需保留所有的题项, 以进一步做因子分析。

2. 3内部一致性检验

运用SPSS统计软件 对量表各 因子的CITC系数和Cronbach'sα系数进行计算, 计算结果如表3所示。从表3中可以看出, 有形环境接触维度中的题项6的CITC值为0. 401, 低于有效标准0. 5, 删除该测 项后, 有形环境 接触维度 的Cronbach'sα系数有所提高, 由原来的0. 771提高至0. 778, 剩余各题项的CITC值均符合要求, 因此删除题项6。医务人员接触维度中的题项9的CITC值为0. 481, 低于有效标准0. 5, 题项删除后, 可靠性维度的Cronbach'sα系数由原来的0. 923提升至最终的0. 928, 剩余各题项的CITC值均超过最低标准, 因此删除医务人员接触维度中的题项9。服务系统接触维度中各题项的CITC值均符合要求, Cronbach'sα系数为0. 852, 该维度的所有题项均需保留。因此, 通过内部一致性信度分析, 去掉有形环境接触中的题项6和医务人员接触的题项9, 剩余17个题项, 待进行探索性因子分析。

2. 4探索性因子分析

在进行探索性因子分析前, 进行题项间相关系数分析和KMO样本测度和Bartlett's球体检验, 以判断所分析的数据是否适合做因子分析。本研究中17个题项间相关系数均显著 ( P <0. 05) , 且相关系数均未超过0. 8, 表明以上题项均需保留, 且适合做探索性因子分析。

通过对门诊服务质量进行内部一致性信度检验, 对符合标准的17个题项做KMO与巴特利特球体检验。分析结果如表4所示, 量表的KMO值为0. 926, 大于0. 9, 且通过Bartlett's球体检验 ( P < 0. 001) , 表明该量表非常适合做因子分析。运用主成份分析法, 通过方差最大化正交旋转, 提取特征根大于1的因子, 并对题项进行进一步净化。对门诊服务质量17个题项进行因子分析后, 共提取3个因子, 累计解释方差为67. 075% , 大于60% 的临界标准 ( Hair等, 2006) 。各因子题项的构成与预期一致, 除有形环境接触因子的题项4的因子载荷小于0. 5, 其他题项均超过了0. 5的边界值。因此, 对题项4予以删除, 得到具有3个因子16个题项的正式测量量表, 如表5所示。

提取方法: 主成份。旋转法: 具有 Kaiser 标准化的正交旋转法。a. 旋转在 7 次迭代后收敛。

3量表的正式验证与确定

为了进一步验证探索性因子分析结果的有效性, 本研究运用验证性因子分析 ( CFA) 来判定三因子模型是否是最佳的匹配模型。参考吴明隆的建议, 验证性因子分析采用以下标准进行: 信度分析、内容效度、结构效度、收敛效度和区别效度。

3. 1数据收集与样本结构

采用现场调查法, 在四川大学华西医院、成都中医药大学附属医院、成都市第五人民医院随机抽样的方式共发放问卷500份。由于发放问卷前与患者或家属进行了沟通, 获得了认可, 因此, 问卷全部回收, 剔除填写不完整或填写不认真的样本, 共获得有效问卷371份。有效样本数量满足了样本量至少为测量题项5倍的要求 ( Nunnally和Berstein, 1994) , 样本分布情况如表6所示。

3. 2信度分析

首先, 运用SPSS软件计算 出量表中 每一个维 度的Cronbach'sα系数, 结果表明门诊服务质量三个维度的Cronbach'sα系数在0. 754和0. 923之间, 均超过了0. 7的可接受水平, 并且删除任何一个题项均导致Cronbach'sα系数降低, 表明不应该删除任何一个题项, 量表的内部一致性良好, 题项设计合理。根据Ruekert等 ( 1984) 的建议, 需要再对项目总体性相关系数进行检验, 分析结果表明各个题项与其所在的维度上的相关系数均高于0. 5的标准, 这一分析结果亦表明所有题项均需保留。其次, 计算每个维度的组成信度。门诊服务质量三个维度的组合信度分别为0. 805, 0. 898, 0. 828, 均超过了0. 7的最低可接受标准, 表明该量表的组合信度较好。再次, 运用SPSS工具对门诊服务质量三个因子进行折半信度检验, 其折半信度分别为0. 747, 0. 906, 0. 799, 表明该量表的折半信度较好。一致性信度检验、组合信度检验及折半信度检验结果均表明门诊服务质量测量量表信度良好。

3. 3效度分析

效度是指量表能准确测量出所要测量变量的程度。效度包括效标效度、内容效度、结构效度、收敛效度、区别效度。效标效度是指测量工具的预测评估能力, 由于本研究不具有预测特性, 因此无需做效标效度检验。

( 1) 内容效度分析。内容效度是指量表涵盖所测量对象的程度, 其判断标准是: 首先, 量表能否精准测量所观测的变量;其次, 量表是否涵盖了所要测量的概念和变量。门诊服务质量测量量表的开发以扎实的文献研究为基础, 以关键事件法、访谈法为发展, 且邀请同行专家进行了反复论证和修正, 因此该量表能够比较全面的涵盖和反应门诊服务质量变量内容, 具有良好的内容效度。

( 2) 收敛效度分析。本研究采用两种方法评价收敛效度。首先, 观察每个题项在其对应潜变量上的标准化负荷系数, 计算结果如表8所示, 门诊服务质量测量量表的每个题项的标准化负荷系数均在0. 559 ~ 0. 850之间, P < 0. 001, 说明具有统计显著性。其次, 考察每个因子的平均方差提取量 ( AVE) , 门诊服务质量三个潜变量的AVE值介于0. 5 ~ 0. 7之间, 超过0. 5的临界标准, 可以判定三个因子的收敛效度良好。

另外, 运用验证性因子分析对门诊服务质量测量模型的各项拟合度指标进行了检验。数据分析结果如表9所示, 门诊服务质量三维度模型的卡方自由度比为2. 369, GFI为0. 907, AGFI为0. 889, NFI为0. 923, CFI为0. 931, RMSER等于0. 071, RMR等于0. 047。根据Bollen ( 1989) 的观点, 在开创性研究中, 拟合指数大于0. 85也是可以接受的[11], 因此, 本研究的验证性因子分析模型拟合程度是可以接受的。

( 3) 区别效度分析。本研究采用Fomell和Larcker ( 1981) 推荐的方法[12], 即观测每个维度的平均方差提取量 ( AVE) , 将其与该维度与其他维度之间相关系数的平方进行比较, 如果平均方差提取量的值大于该维度与其他维度之间相关系数的平方, 或者平均方差提取量值的平方根大于其与其他维度之间的相关系数时, 则表明两个维度间具有区别效度。据此, 将门诊服务质量测量量表各个维度的AVE的平方根及该维度与其他维度之间的相关系数进行汇集, 得到表10。如该表显示, 对角线上的数字为各维度AVE值的平方根, 门诊服务质量各维度的AVE值的平方根在0. 74 ~ 0. 80之间, 各维度间相关系数的绝对值在0. 51 ~ 0. 57之间, 每一维度AVE值的平方根均显著大于该维度与其他维度间的相关系数, 表明本研究修正的门诊服务质量量表各维度具有较好的区别效度。

**表示在 P < 0. 01 的水平下显著

4结论与启示

由于国内外学者对医疗服务的研究多集中于住院服务, 而对门诊服务的关注较少, 尚未有学者根据中国门诊服务特征, 开发中国情境下门诊服务质量测量量表。本研究在文献研究和关键事件收集的基础上, 运用专家法初步形成了门诊服务接触质量测量题项库, 通过预调研和探索性因子分析等工具对题项进行了净化, 通过正式调研及信度、效度检验, 确保了测量量表的稳定性、可靠性和可信度, 最终形成了包含有形环境接触、医务人员接触和服务系统接触三个维度的门诊服务接触质量测量量表。

( 1) 有形环境接触。有形环境接触是指患者在接受医疗服务的过程中与有形环境、设备设施的的互动, 从而形成患者对有形环境接触质量的感知。实证分析结果显示, 有形环境接触是门诊服务接触质量的重要构成维度。在门诊服务中, 医院的卫生状况、设备设施的先进性、医院的指示标识, 医院环境的舒适性, 是构成患者对有形环境体验的重要要素。医院可运用送5S现场管理的技术, 提升有形环境接触质量。

( 2) 医务人员接触。医务人员接触是指患者在与医务人员的互动, 从而形成患者对医务人员技术质量和服务质量的感知。实证分析结果显示, 医务人员接触是门诊服务接触质量的关键构成维度。在门诊服务中, 医务人员是否尊重患者, 为患者考虑; 专业知识丰富程度; 检查、诊疗时操作熟练度; 能否清晰向患者解释病情; 在诊疗过程中的认知、仔细程度, 病历书写的清晰、规范性; 推荐的治疗方案的合理性; 以及用药说明的详细程度, 均会影响患者对医务人员接触的体验。医院可通过医务人员接触质量监测, 及时发现该维度的短板, 进行针对性的改善。

( 3) 服务系统接触。服务系统接触是指患者在接受医疗服务的过程中, 对服务传递系统的效率和质量的感知。在门诊服务中, 挂号、候诊、缴费、取药方便快捷程度; 患者能否及时获得各项化验、检查结果; 患者提出的问题或投诉能否得到及时回应、积极解决; 患者询问医务人员时能得到及时、详细解答, 会影响患者对服务系统接触的体验。医院可采用仿真技术, 发现服务流程中的瓶颈, 采用精益六西格玛管理、流程再造技术进行针对性的改进, 以提升患者就医体验。

本文构建的门诊服务接触质量本土化测量量表, 丰富了该领域研究成果。已有研究主要从服务属性视角对服务质量进行研究, 而从服务接触视角对服务接触质量测量量表的开发研究较少, 虽然印度学者对此进行了研究, 但由于印度医疗市场和中国医疗市场的差异性, 尚不能直接引用。本研究以服务接触理论为理论基础, 运用文献研究法、关键事件法、专家法, 遵循量表开发的程序, 设计出适合中国门诊服务特征的门诊服务接触质量测量量表, 丰富了该领域的研究成果。与此同时, 本文构建的门诊服务接触质量评价体系对医院进行服务接触管理具有理论指导意义。医院可运用该量表科学监测门诊服务接触质量, 识别薄弱环节, 采取针对性的改善措施, 从而提升患者就医体验。

摘要：目的:基于服务接触理论, 根据中国医院门诊服务的特征, 从有形环境接触、医务人员接触、服务系统接触三个方面构建门诊服务接触质量测量量表。方法:综合运用文献研究法、关键事件法、专家法等研究方法形成初始题项库, 通过探索性因子分析和验证性因子分析确定量表的信度和效度。结果:形成了包含有形环境接触、医务人员接触、服务系统接触三个因子, 16个题项的门诊服务接触质量评价量表, 该量表具有良好的信度和效度。

关键词：门诊服务,服务接触质量

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接触式测量论文 第6篇

图像测量技术在工业测量领域的实际应用可以追溯至20世纪90年代,图像测量技术的核心是图像处理技术[2]。该文提出的测量原理与方法:首先通过扫描仪器获取被测工件的扫描图像,然后由Matlab程序对工件扫描图像进行以下处理和检测:1)对图像进行中值滤波;2)对图像进行二值化处理;3)图像的轮廓边缘提取;4)对图形矩阵进行阈值检测,并返回轮廓坐标;5)根据返回的坐标计算工件的相关参数。

2.1 基本原理

本文所测工件为圆形,如图1所示。

2.2 中值滤波原理

中值滤波器是一种常用的非线性平滑滤波器[3]。扫描仪器在扫描工件时不可避免地引入干扰,从而在扫描图像上出现干扰噪声,因此,对扫描图像进行去噪处理、增强图像质量就显得尤为重要,中值滤波器的应用是去噪处理技术的关键步骤之一[4]。中值滤波器的原理是将原始图像像素值用其领域的图像灰度中值代替,其先将滤波器的模板所对应的灰度值{a1,a2,...,an}排列顺序,若n为偶数,则所取中值为滤波器模板处于中间位置所对应两个数值的平均值;若n为奇数,则所取中值为滤波器模板处于中间位置所对应的数值[4]。中值的个数及窗口的形状与大小的选择均取决于领域的大小,其中窗口的形状选择较多,可以是圆形、矩形等,窗口的选择对中值滤波器滤波后的效果有较大的影响[5]。在本文中,对图1的图像进行中值滤波后图像如图2所示。

由图2可见,在原图像(图1)中噪声干扰很小,所以滤波前后图像变化不明显。

2.3 Canny边缘检测算子

首先将图2作二值化处理,如图3所示。若用“1”表示白色,“0”表示黑色,则整个图像是由值“0”和“1”构成的二维矩阵,即称为二值图像[5]。在图像的边缘集中存在大部分图像信息,其灰度值在一个较小的区域范围内变化迅速,可从一个很小的值急速变化到一个很大的值,即其剖面的灰度值可以看成是一个阶跃[6]。由于图像边缘所蕴含的信息量较大,因此,图像边缘的识别与检测对于整幅图像的识别与检测有重要意义[7]。对于传统的测量方式,视觉边缘检测的准确性与时效性直接影响着整幅图像信息检测的精度与识别能力。在原图像的基础上,对整幅图像的各个像素所在的领域内灰度值变化的检测即阶跃变化的检测是经典的边缘检测方法,其原理是根据对边缘领域的导数(一阶或二阶)变化规律来检测和识别图像的边缘。常用的边缘检测算子较多,有:Sobel算子、Prewitt算子、Roberts算子、Laplace算子、Canny算子等[8]。该文采用的是Canny算子,该算子的优点在于:具有检测准确、定位精度高、不易受噪声影响、实际应用广泛等,同时,其采用两种不同的阈值分别检测强边缘和弱边缘,并且仅当弱边缘和强边缘相连时,才将弱边缘包含在输出图像中[9]。因此,这种方法对于图像的弱边缘有更强的检测能力,能够较好地平衡对边缘与噪声的识别。Canny算子的方向性质使得它的检测边缘与定位具有更好的边缘强度估计,能产生梯度方向和强度两个信息,方便了后续处理。

对阶跃边缘,Canny推导出的最优二维算子的形状与Gaussian函数的一阶导数相近[10],取Gaussian函数为:

在某一方向n上,G(x,y)的一阶方向导数为:

式中,

因此,对应于Gn*f(x,y)变化最强的方向导数为:

在该方向上Gn*f(x,y)有最大的输出响应:

经Canny算子进行边缘检测后,结果如图4。将图像取作20482048的矩阵,再对图形矩阵进行阈值检测,把相应的灰度选出[11,12],并返回坐标如图5、图6所示,其中,图5为圆的上半部分,图6为圆的下半部分。

2.4 确定圆心坐标及半径

根据图5或图6中返回的坐标,确定圆上三个点,从而确定圆心的坐标及圆的半径,取其中三个点分别为:(960.6,230.1);(195.3,704.2);(1844.0,821.6),经计算可得,圆心坐标为(998.13,1129.28),半径为:900.01。将相关图像的实际尺寸作相应变换即可得到实际工件的大小。

3 结论

本文针对在工程实际中存在不宜直接接触式测量的工件,提出了基于Canny算子的工件非接触式测量的方法。在MATLAB图像处理的基础上,结合图像的中值滤波、二值化、轮廓提取、阈值检测等操作,最后得到图像中工件的轮廓部分点的坐标,运用二维平面图形知识计算出圆形工件的圆形坐标和半径。理论及计算机仿真结果表明了该方法的有效性和精确性。

摘要：为了测量高温或其他不宜直接接触的工件,提出了一种基于Canny算子的边缘检测法测量工件的尺寸,该方法通过对原始器件图像的二值化处理,提取工件的轮廓,再进行阈值检测并返回轮廓坐标从而确定工件的相关参数。与传统接触式测量方法相比,该方法能对高温等物体进行测量,同时该方法有测量精度高等特点。理论及计算机仿真表明,该方法切实有效,有良好的应用前景。

关键词：非接触式测量,Canny算子,边缘检测,二值化,阈值检测

参考文献

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试析长度测量技术中的不接触探测 第7篇

一、不接触探测法概述

在制造行业中, 采用不接触探测法已成为未来探测技术发展的关键, 它是因为接触探测法在实际工作中经常会因为测量目标运动而产生无法有效接触, 这必然会给接触测量工作的开展造成影响, 由此其产生分离也是必然。在这种情况下必然会影响到企业生产进度和工件的完整性, 基于此设计人员便提出了不接触探测的研究课题。这种探测方法的出现让探测工作焕然一新。此外, 在应用中不接触探测对于元件的保护作用好。但是在相应的结构条件下, 不接触探测法尚存在不少没有被我们发现的可能性。经过近期的研究, 以物理载体为出发点对不接触探测法的探测距离、探测手段和探测要求做了简单的分析, 由此得出, 当我们发现可以用物理性质或者效应的时候, 我们就能够直接采用不接触探测法对目标进行测量。原则上则是需要考虑测量目标的粒子流、气体、电磁场、微波等内容。对于这种测量条件, 在目前的工作中采用最多的便是光学法, 这是因为光本身具备着两面性, 也就是粒子、光波的两重性质, 并且还具备很好的探测性质。

二、常见的探测方法

在不接触探测方法的选用上, 常见的探测方法主要包含有气动法、电容法、电感法等。

1 气动法。

气动法主要指的是在测量的过程中采用喷嘴、反射板的工作原理进行, 它不仅是针对气体的压力, 而且是针对一定单位时间内流出的气体流量进行测量的, 这种测量方法的选择中, 测量结果与喷嘴、反射板之间的距离有着密切的关系。因此, 在测量的过程中我们必须要科学处理喷嘴与反射板之间的距离, 并且以压力、容器容量为基础开展。这种测量方法在应用中主要的特点在于分辨率高、测量准确度高。但是在实际工作中, 我们还需要注意以下几个方面的工作。首先, 在工作中对表面性质、表面斜度和功能影响深刻。其次由于测量的目标是气流, 因此在测量中必然会出现细微的变化, 这对测量工具的灵敏度要求非常的高。再次, 气体在受到温度的变化而发生容量变动, 轻微的变冷或者膨胀都有可能会导致工件内部发生变化, 因此在测量中要提前对这一问题加以处理。

2 电容法。

利用电容法来进行工件长度测量是目前较为常见的一个技术, 它是在已经安装在非导体两端的电极作为电容器, 利用电极与非导体形成一个整流电容器, 并且用字母C来表示电容量, 而电容器之间的非导体则可以当成一个主板, 让两个电极在电负荷不相等的情况下发出电能, 并利用导线传递到电场之中, 形成一个电场力, 这一电场力我们可以利用公式:

3 电感法。

由于电厂与磁场之间有着很突出的相似特性, 它在应用上同电容法的应用大致相同, 因此这一方法在电容法可以使用的环节也都可以应用。但是由于电容发存在应力测量上的各种限制, 使得它的适用范围不得不受到一定的外在限制, 基于这种情况, 在测量的时候传感器不仅可以装置在测量点侨中, 也可以作为频率测定元件安装在振荡器中。

4 光学法。

光学法是近几年出现且被广泛应用的一种技术, 由于光本身的波长很小, 因此其在精确度控制上非常严格, 此外这种测量方法与传统的超声波及微波测量方式相比较效果突出, 各种偶那个费用投资小且能够避免对工件表面平整度受影响。如果这个时候我们还将工件认为是主观测量目标, 那么测量结构就变得相当简单了。经分析, 这种测量方法的应用对于主观测量目标而言效果非常好, 且影响很低, 不会造成太大工件精度受到影响, 因此它的应用可谓是我国机械领域生产技术的一次改革, 为显微镜的进一步利用做出了积极贡献。

在波长内用内插法时干涉测量法允许有很高的分辨率。测量精确度取决于激光的频率稳定性及大气条件、空气的折射率及其变化。先决条件当然是一个光滑的、垂直于光线方向的直立侧量面, 这对于大多数情况是不符合的, 所以其应用受到很大限制。由于原来仅应用主观测量, 在光学探测中几乎没有加以考虑的微电子设备的应用重新获得重要性。因此, 在目前的工作中我们有必要采用新技术对这种方法进行探讨和研究。

结语

本文阐述了多种不同的不接触长度勘测方法, 并就这些长度勘测方法在实际工作中的应用情况作了简单的分析。经过研究得出, 物理载体如粒子流、场、波以及其中所分布的物理效应或性质形成了这些方法的起点。所得出的探测方法, 在其测量范围、精确度和材料关系等方面各有区别, 所以它们大多只对有限的应用范围有意义。光学测量法具有特殊意义, 这种方法由于测量精确度高、费用相当低, 并具有通用性, 因此应用范围广。对于距离测定, 有些方法的性能是不利的, 如材料关系或位置关系, 但可以完全很有利地用于其他应用范围。例如, 用电容或电感测量法可以建立物体材料特性的不接触探测设备和层厚测量装置。在此当然必须知道距离。对于机器人技术和位置识别系统中的探测元件, 产生了进一步改进的应用可能性。

摘要：长度测量技术在目前社会生产中应用越来越广泛, 其中涉及到不接触探测的内容也较为常见。本文从不接触探测的概念和特点入手, 简单阐述了它在长度测量技术中的具体应用情况。

关键词：长度测量,不接触探测,物理载体,压力

参考文献

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[2]A.Wiemer, 王守安.气动长度测量的基础及其应用 (Ⅱ) [J].国外精密工具, 1964 (05) .

接触式测量论文 第8篇

关键词：位移测量,光学三角,线阵CCD,FPGA,USB2.0

0 引言

在光学三角系统中,测量系统光源提供的光线都集中在检测物体表面并产生测量光点(反射光波经过透镜在系统上形成光点)。测量光点的空间位置变化对应检测物体表面与测量系统的距离。使用现场位置检测器,如PSD或CCD摄像镜头,可以得到测量光点空间位置的各个记录点。根据PSD或CCD所采集的像素光点的位置变化,通过测量系统的信号处理,可以计算出目标物体位移的相对变化。

传统光学三角系统的信号采集模块速度较慢,处理功能相对简单,不能很好地满足现代检测系统的需求。本文使用FPGA实现数据采集和处理,通过USB2.0接口与上位机通信,不但减少主要电路板的体积、简化了驱动和应用电路,而且提高了系统处理速度和数据传输能力。此外,由于FPGA的可编程特性使系统在升级换代和电路修改等方面非常容易。

1 位移测量系统原理

对被测物体表面反射光点进行测量,测量值数字的变化表明目标空间位置的变化。这种测量方法被广泛的应用于激光测量领域。被测目标和传感器之间的位置关系如图1所示,其中,d0是被测目标和摄像头之间的距离,di是图形与摄像头之间的距离,O'是原点O的映像,θ是反射角,凸透镜的焦点是f,焦距是L,它们有如下关系:

从上式可以看出δ和D之间是一种复杂的非线性关系。在公式(1)中,每个参数变量只与物理结构有关(当D非常小时,在系统测量过程中每个参数的变化可以忽略不计)。但δ和D进行相互推导时,其计算量很大,很难满足系统实时测量要求。为克服上述缺点,本文所设计的测量系统对光学装置和被测目标之间的相对位置进行了调整,如图2所示。

在这种模式下,取θ=45o,对激光束进行测量。通过系统成像镜头,反射光形成的光斑将打在成像平面上。反射角也等于45o(θ2=45o)。显然,当物体表面的位置上升或下降,像点的位置也随之移动。图像位移和目标位移之间的关系如下:

显然,当入射角为45o时,δ与D的关系是线性的。它可以节省大量的CPU处理时间,非常有利于实时测量。但在光学三角系统中,当使用渐变的角度进行测量时,也存在一些不足之处,特别是在实时测量的过程中,它对表面形式的轻微变化非常敏感。因此,测量系统的结果产生偏差的主要原因就是测量物体表面的影响。

2 系统电路原理

非接触式位移测量系统的电路原理如图3所示。该系统主要包括:CCD数字传感器、FPGA、发射跟随器、差分放大器、比较器和微处理器等。通过光学成像系统,被测物体会在CCD敏感图像平面上成像,并将它们存储在图像的敏感元件中。然后CCD将每个单位的光照强度信号转变成电信号。在脉冲信号驱动下,移位寄存器将顺序输出视频信号。当复位脉冲(RS)每次复位时,CCD将输出一个光脉冲信号。由于TCD1500C具有较高的输出电阻,采用射极跟随器,可以减少它的输出电阻,便于信号通过后续电路进行信号处理。CCD信号检测器仍采用频闪电荷集成结构,因此,其输出的视频信号不可避免地夹杂着由复位信号RS引起的相同极性的干扰信号。因此,图1中运算放大器的共模抑制比必须相当高并且具有快速的变化速率。

根据光照强度的大小,TCD1500C通过采样保持可以合理调整其相对水平,得到照明点的信号包络,然后将包络信号送入FPGA,测量点的位置将通过计数进行检测。最后通过USB2.0接口将数据发送到计算机,进行记录、储存和分析等。

该系统不仅可以独立地测量位移,而且还可以与计算机连接,实现位移的记录、存储、分析和复杂测量。在位移的不同阶段所推导出的计算公式不同,该系统使用一块赛灵思的spartan3系列FPGA来完全实现整个处理功能。

图3中,驱动和计数电路生产CCD的脉冲,并确定图像点的相对位置。同时,它发送图像点的位移信息到液晶显示,此外,所得的位移信息还可以通过USB接口被发送到计算机进行记录、储存和分析等。

USB接收和发送模块,主要完成计算机和系统之间的通信,计算机和服务器之间数据传输。当光斑超出了CCD的范围以外时,像光积分时间调制电路和指示灯电路等每个模块,都要用VHDL语言进行编译,以满足系统的升级和设备的兼容性。

3 USB2.0接口设计

为了实现FPGA和计算机之间的高速通信,本文采用ISP1581做为USB2.0接口芯片。ISP1581是一块常用的USB2.0接口芯片,它功能强大,性价比非常高,完全符合USB2.0规格(12.8 M字/秒),并提供了高速USB通信能力。计算机和USB设备之间的数据通信主要包括两个方面:1)读取采样数据;2)是USB设备的控制命令调度。首先,控制命令分配一个命令包(消息),然后根据具体情况分配后续数据或从设备读取响应数据。

该系统的驱动程序是在Compuware Numega Driver-Works的基础上采用面向对象的C++语言进行开发的。Driver-Works可以很快构造出驱动程序的框架。主要构造了两个类:Class USBDAC、Class USBDACDevice。Class USBDAC继承了Class Kdriver,负责装载驱动程序和创建功能设备对象时要做的一些操作。Class USBDACDevice继承了Class KpnpDevice,是驱动程序的主要部分,负责设备启动、停止的操作以及与设备的数据通信。API函数调用和Create File(),ReadFile(),WriteFile(),DeviceIO-Control(),and Close File()等的实现也在Class USBDACDevice中完成。

4 结束语

本文设计的系统主要以单芯片技术为基础,包括数据采集模块和A/D转换模块,其处理模块主要包括FPGA和USB总线接口等。与传统的分离元件电路相比,采用FPGA技术所设计的CCD驱动模块和应用电路在该测量系统中具有许多优点:体积小、重量轻、高速率、低功率损耗、设计周期短、可重复配置、容易升级、操作简单和容易调试等。

参考文献

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