高分辨率离面位移检测中的若干问题研究

摘要

随着我国的综合国力不断增强，各类结构在航空航天、造船、汽车等制造领域里的应用日益增多，总体而言这些结构都朝着大型且精细化的方向发展，这些需求也迫使测量技术朝向高分辨率、大面积和大量程的方向发展。光测方法虽以其非接触、高灵敏度的特性成为各类结构离面信息检测的重要手段，但目前仍然没有一类成熟的测试方法能够较好的解决在测量中高分辨率与大面积，以及高分辨率与大量程之间的矛盾问题。本文以光测方法为基础，同时结合离面位移为测量背景，分别提出了解决高分辨率与大面积，高分辨率与大量程矛盾问题的测量方案，并分别搭建了相应离面位移测量系统，最后通过实验验证了各测量系统的特性。
　　离面位移的测量方法种类较多，本文将目前常用的离面位移测量方法按接触式和非接触式进行归类划分，并逐一总结了各方法的工作原理、测量分辨率以及测量量程，然后分析讨论了各方法在解决高分辨率与大面积，以及高分辨率与大量程这两对矛盾中的局限性和所面临的主要难题。
　　投影栅线法是结构光测中最为常用的方法，但数字器件给该测量方法带来了明显的周期性纹波噪声，本文针对这样的噪声做了详细分析，并分别基于条纹特征分析和基于多次定步长相移提出了两种纹波噪声消除算法，之后通过实验证实了两个算法的有效性，同时对比总结算法各自的特点和适应场景，为投影栅线法的高精度应用提供了可靠支撑。
　　结合投影栅线和几何云纹的特点，本文提出利用投影云纹的方法来解决高测量分辨率和大面积的矛盾问题，用纯光学系统建立投影栅线测量系统，实现在被测大面积物体表面的高密度栅线投影并对其进行精确成像，再将高密度栅线影像与参考光栅几何干涉形成平面云纹，从而克服了在目前硬件条件下大面积与高空间分辨率的困难，同时搭建了相应的测量系统，通过时间相移并结合移动最小二乘拟合方法进行了现场测量，为在高分辨率和大面积的测量应用中提供了有效方案。
　　利用光学波长干涉量级的超高分辨率和压电陶瓷技术，本文提出了基于光学位移跟踪的离面位移检测方法来解决高测量分辨率和大量程的矛盾问题，而为了兼顾测量系统的实时工作特性，本文基于图像处理技术提出了高效位移追踪算法，同时分别针对漫反射表面和镜面干涉测量搭建了相应的测量系统，并各自进行了测量实验，为在高分辨率和大量程的测量应用中提供了有效方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 大型结构在当今科技、工业发展中的应用及意义

1．2 离面位移测量方法综述

1．2．1 接触式测量

1．2．2 非接触式测量

1．2．3 常见商用测量仪

1．3 大面积全场离面位移测量的技术问题

1．4 论文的主要工作介绍

1．5 本章小结

第2章 投影栅线算法及测量误差研究

2．1 测量原理

2．2 位相处理

2．2．1 位相提取

2．2．2 位相展开

2．3 测量噪声

2．4 基于条纹特征分析的误差补偿算法

2．5 基于多次定步长相移的误差消除算法

2．6 验证实验

2．6．1 验证基于条纹特征分析算法的有效性

2．6．2 验证基于多次定步长相移算法的有效性

2．6 本章小结

第3章 投影云纹技术的研究

3．1 引言

3．1．1 应用背景

3．1．2 技术背景

3．1．3 几何云纹

3．2 投影云纹系统

3．2．1 可行性分析

3．2．2 测量原理

3．2．3 移动最小二乘的曲面拟合方法

3．3 测试实验

3．4 本章小结

第4章 高分辨率、大量程的离面位移检测方法研究

4．1 背景介绍

4．2 工作原理

4．2．1 光的干涉原理

4．2．2 迈克尔逊干涉仪

4．2．3 压电陶瓷器工作原理

4．2．4 跟踪算法

4．3 对漫反射表面测量的跟踪实验

4．3．1 ESPI测量系统工作原理

4．3．2 系统组成

4．3．3 测试实验

4．3．4 对ESPI测量系统的讨论

4．4 基于镜面干涉测量的跟踪实验

4．4．1 镜面干涉测量系统工作原理

4．4．2 系统组成

4．4．3 测试实验

4．4．4 对镜面干涉测量系统的讨论

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间作者发表的论文

致谢