激光三角同步扫描轮廓测量关键技术研究

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。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题来源与内容安排

第二章 测量系统建模及优化

2.1 激光三角测量研究现状与进展

2.2 系统测量原理

2.3 光学成像系统仿真

2.4 激光转镜扫描子系统

2.5 电气控制系统总体架构

2.6 本章小结

第三章 实时激光能量追踪及系统标定

3.1 实时信号处理框架

3.2 线阵CCD非均匀性校正

3.3 亚像素光斑质心定位

3.4 系统非参数模型标定

3.5 标定实验

3.6 本章小结

第四章 系统测量性能优化方法

4.1 传感器测量信号处理链

4.2 点激光束光斑大小

4.3 光电响应模型

4.4 激光散斑

4.5 目标表面微观结构特性

4.6 系统其它测量性能优化方法

4.7 本章小结

第五章 系统测量不确定度评定

5.1 传感器性能参数

5.2 误差源概述

5.3 标准平面测量实验

5.4 标准针规扫描测量实验

5.5 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3 工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢