论文总字数：17168字

摘 要

近年来，国内工业制造的生产效率有了大幅提升，各类结构复杂的零件也应运而生，零件参数的测试对测量技术的效率和精准度也提出了更高的要求。与基于传统的接触式量具测量系统不同，基于光电技术的非接触法测量系统能够解决特殊形状工件的测量，故非接触法测量复杂结构零件体积的技术就变得十分重要。当然，非接触测量技术也存在一定的问题。例如基于不同光电技术的测量系统中有的系统误差较大；有的测量系统难以测量结构复杂物体的三维结构数据。本论文介绍了一套基于激光测距的非接触法体积测量系统。对该测量系统的误差来源进行了分析并提出规避方法。在误差允许范围内，通过系列实验数据总结出该系统的适用范围、实际精度等参数，并证实了系统的可行性。

关键词：激光测距 非接触测量 复杂物体 误差分析

Abstract

In recent years, the productivity of domestic industrial manufacturing has greatly increased, and various kinds of structurally complex parts have emerged. The testing of part parameters also puts higher requirements on the efficiency and precision of measurement technology. Unlike traditional contact-based measuring systems, photoelectric-based non-contact measurement systems can solve the measurement of special-shaped work pieces. Therefore, the non-contact method for measuring the volume of complex structures becomes very important. Of course, non-contact measurement technology also has certain problems. For example, some measurement systems based on different optoelectronic technologies have large system errors; some measurement systems have difficulty measuring the three-dimensional structural data of complex structures. This paper introduces a non-contact volume measurement system based on laser ranging. The error source of the measurement system was analyzed and the avoidance method was proposed. Within the allowable range of error, a series of experimental data was used to summarize the applicable range, actual accuracy and other parameters of the system, and confirmed the feasibility of the system.

Key Words: Laser ranging; Non-contact measurement; Complex object; Error analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 非接触测量法简介 1

1.2 非接触测量系统的国内外发展水平现状及改良趋势 1

1.3 本课题的主要内容和研究方法 3

第二章 测量原理及系统设计 4

2.1 激光测距原理 4

2.2 系统结构部件和注意事项 5

2.2.1 系统结构部件 5

2.2.2 注意事项 7

2.3 物体体积的计算 7

2.3.1 理想测量方法 7

2.3.2 实际计算方法 8

第三章 测量系统误差分析 9

3.1 测距误差分析 9

3.1.1 测距仪的测量条件对测量所产生的误差 9

3.1.2 测距仪最小显示单位对测量的影响 9

3.2 测角误差分析 10

3.3 系统安装误差分析 10

3.4 计算方法误差分析 10

第四章 实验及分析 11

4.1 测距稳定性实验 11

4.2 简单圆锥体的非接触测量实验 11

4.3 较复杂物体的非接触测量实验 13

第五章 总结 15

参考文献 17

致 谢 19

第一章 绪论

1.1 非接触测量法简介

一般复杂物体的体积测量可以选用的方法有很多种，例如液浸法、分层计算法、尺量法等，这些方法均属于接触类方法。但是，在一些特殊情况下，要求无损伤、无污染、高精度地对物体的体积进行测量时，就不能使用传统的接触式测量方法。随着光电技术的发展及其与计算机技术的不断融合，发展了非接触类测量技术，这为无损检测提供了重要技术保障^[1]。近年来，基于光电技术的非接触法测量产品成为了一个研究热点。

非接触测量方法一般分为光学方法和非光学方法。光学方法由原理不同又分为结构光法、激光测距法、干涉测量法、图象分析法^[2]等；非光学法则根据测量参数分为磁学测量法、气压测量法、X射线扫描法^[3]、声学测量法、电涡流测量法^[4]等。

非光学法在测距和医学等领域内应用广泛。例如，使用超声波发射装置从一个物体向另一个物体发射超声波，接收被反射回来的超声波并根据其传播速度和接收、发射时间差来计算物体间距离；根据磁共振成像技术对人体内部结构进行测量，以帮助医生制定治疗方案等。但在对复杂物体的测量中，非光学法由于低效率、高成本、适用性差等原因无法推广。

光学法主要应用在对行为误差、尺寸要素的测量和对不可接触物体的测量上。例如，运用光散射原理对特定物体的表面粗糙度进行测量^[5]，使用反射式激光扫描系统对透明玻璃管的尺寸进行测量，利用强度调制型反射式光纤位移传感器对零件的轮廓表面进行精密测量^[6]，使用高灵敏度CCD三坐标测量机对精密零件进行空间构建^[7]，利用投影栅相位法实现对被测物体的非接触式三维测量^[8]，利用三维激光扫描系统测量复杂物体的体积^[9]等。

1.2 非接触测量系统的国内外发展水平现状及改良趋势

我国对于可见光CCD、硅化铂肖特基势垒红外CCD^[10]、激光扫描测量系统、基于多台经纬仪的三坐标测量系统已经有了很大的研究成果。国内市场上有种类繁多的利用光敏元的CCD，也有利用激光测距系统的各类激光测距设备。^[11]而在军事和工业上，限制较多的三坐标测量机也被后来开发的三坐标测量系统取代。新的测量系统由于具有灵活的测量范围、极高的测量精度以及非接触测量的特性，在军事建设、航天航空、大型工程建设、高标准工程的检测等领域大展神威，并且还会在改良后应用于更广泛的领域，比如民用领域等^[12]。但是，相比世界一流水平，国内的CCD技术在用材、构造上还有所不足；激光测量系统也没有达到一般普及的程度。而这些支撑着非接触测量系统的关键部分如果没有进展，非接触测量也不会有所改进。

国际上对于CCD和激光的研究较早，在非接触测量领域具有较牢固的基础，从而利用光电技术研制的非接触测量系统及相关机器装置非常多。像是对激光测头的利用，国内还处于研发阶段，而MAPPOSS公司都已经完成了使用激光测头进行非接触测量的新型测量系统及其相对应得实体测量机的生产。在工业生产中，此种测量机可以在机床不停机的状况下对机床中的工作部件进行非接触测量，并且报告机床中工作异常的部件所处位置，这就解放了一定的劳动力。^[13]美国的一项非接触式体积测量的专利则是利用了X射线辐射的多功能一体化测量机，该机利用测量物体进入辐照区后X射线辐射量的变化对物体的组成、体积进行测量，以达到对食品、化妆品等可被X射线照射材料的较精确检查。这种全自动测量机无疑将会大大解放人工的负担，减少测量损耗，提高检测效率。^[14]

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