非接触激光测量

非接触激光测量（精选七篇）

非接触激光测量 篇1

国内汽车市场竞争日趋激烈, 在关注动力、安全性等传统指标的同时, 整车外观的审美和质量体验对消费者有着决定性的影响。J.D.Power亚太公司2010年根据在线调研得到中国新车购买意向报告显示:整车的外观表现对于吸引有意向购买新车的中国消费者至关重要。因此, 对于自主品牌来说, 整车外观匹配质量直接影响产品的市场占有率, 进而影响自主品牌的品牌价值。

各大汽车公司对于整车外观匹配质量的评价和控制都投入了大量的人力和时间。一种方法是采用AUDIT打分、PDI客户评价等主观方法进行抽样评价, 这种方法直接模拟最终用户的感知[1]。但不同人员往往存在主观差异、且样本量较少, 不利于外观匹配质量的提升。另一种方法是基于测量数据进行评价, 可以直接用于对质量改进的分析和指导[2], 然而在处理数据时通常仅关注超差情况, 没有结合波动稳定性进行分析, 也不能全面地反映实际质量情况。因此, 如何快速获取大样本匹配数据, 并同时对综合超差和稳定性进行客观全面的评价分析, 进而提升自主品牌的整车外观匹配质量。

综上所述, 本项目拟在吸收国内外各大汽车公司整车外观匹配质量监控分析方法的基础上, 在荣威/MG品牌的整车外观匹配质量持续改进工作中, 引入具有精度高、测量速度快特点的先进非接触激光测量技术, 并配套开发综合超差和稳定性评价的数据处理及分析技术, 最终建立基于先进非接触激光测量的自主品牌整车外观质量改进体系。

2 基于非接触激光测量技术的自主品牌整车外观匹配质量改进系统

传统的基于AUDIT方法和测量数据的整车外观匹配质量评价体系, 存在主观差异大、耗费时间长、样本量小, 以及评价全面性不足等问题, 并不完全适用于自主品牌的整车外观匹配质量的持续改进。以下从测量分析系统框架、数据处理技术方面阐述如何建立基于非接触激光测量技术的自主品牌整车外观匹配质量改进系统。

2.1 系统框架

本项目拟采用激光间隙面差仪Laser Gauge作为测量设备, 开发综合超差、稳定性评价分析的PASC数据处理技术, 最终搭建自主品牌整车外观匹配质量改进LGDTS系统, 系统框架见图1。

a.激光间隙面差仪Laser Gauge具有精度高±0.05 mm、速度快 (<2 s/点) 等特点, 现场使用Laser Gauge对整车进行测量, 数据通过无线或者USB传输至工作站。

b.通过LGDTS中的数据接口转换模块将测量仪传输过来的数据文件导入SQLSERVER数据库标准格式。

c.采用LGDTS数据分析系统中的PASC数据分析处理技术对数据进行自动趋势图、超差及6σ稳定性分析。

2.2 综合超差、稳定性评价的数据分析处理技术

如前所述, 综合超差和稳定性指标对于全面的评价数据状态是非常重要的, 这直接影响到质量人员对问题原因的判断及不同改进措施。现场经常会出现2种情况:一种情况是数据超差情况很小, 或超差点不多, 但是稳定性指标很差, 实际上该质量过程是不稳定的, 这种情况通常是工装不稳定、工人操作、设计结构缺陷等随机因素导致的;另一种情况是数据超差情况比较大, 但是超差点基本一致, 也就是稳定性指标较好, 这通常是零件尺寸超差等系统性原因导致。

本项目提出综合超差率和6σ的PASC系数, 采用该系数的同时评估尺寸的精确性和稳定性。定义当PASC系数小于等于3, 该点处于一个稳定可靠的状态, 具体评价方法见表1。

3 非接触激光测量数据分析处理软件开发及应用

3.1 软件模块及功能

通用数据分析软件报告一般是表格或文本形式, 质量人员在使用时非常不便且易出错。在非接触测量系统构架基础上, 本项目进行了数据处理软件开发, 该软件可以根据预先设置好的车型模板自动生成该车型的外观质量数据报告, 软件模块如下。

a.Convert模块:将Laser Gauge的测量数据文件自动转换成标准格式文件。

b.Data Management模块:将标准格式文件自动导入标准数据库。

c.Data Analysis模块:读取数据库, 采用综合超差、稳定性的评价分析技术进行数据分析, 并根据车型模板生成具体车型的图形化报告:趋势图报告、超差及波动综合分析报告等。数据分析模块见图2。趋势图及统计分析报告见图3。

3.2 应用案例

3.2.1 尾灯偏转

公司某车型尾灯的间隙、面差稳定性均较差, 经常需要人工返修。数据分析发现6σ值达到4.9。主要原因是安装孔布置过于集中, 拧紧螺栓时易偏转。据此, 在该车型的改进设计开发时将尾灯偏转问题反馈给产品设计部门, 通过改变安装孔的结构, 6σ值降到2.8左右, 该车型尾灯质量稳定性明显提升。

3.2.2 A柱间隙

公司某车型A柱间隙经常超差, 采用非接触激光测量数据分析处理软件进行分析:A柱间隙稳定地超差原因是发动机罩盖尺寸小了1mm。通过优化发动机罩盖模具, 修正了发动机罩盖尺寸, 使A柱间隙满足尺寸要求。

4 结束语

本文提出了综合超差和稳定性评价的整车外观质量数据处理技术, 开发具有自主知识产权的相应软件, 构建全面的自主品牌整车外观质量改进系统。该系统在本公司某车型尾灯、A柱间隙等区域的匹配质量提升方面取得了良好的效果。该系统的成功应用为自主品牌的整车外观质量控制提供了一种新的行之有效的体系和方法, 可有效地提升自主品牌的形象。

参考文献

[1]李占利, 年雪山.浅谈车门与白车身尺寸匹配控制方法[J].汽车制造业, 2012, (21) :64-66.

激光非接触式圆度误差测量教具设计 篇2

关键词：教具,圆度误差,激光测量

0 引言

因为圆度是一个比较抽象的概念, 在目前的大学课程中关于圆度的概念都是通过老师的讲解以及相应课本中的介绍来呈现的, 大部分学生并不能充分理解它。学生通过老师的讲解只能假想圆度测试大概的情况, 没有深入的了解。

这种压抑的课堂学习气氛不仅影响老师的讲课激情, 也严重影响学生的听课效率。如果在课堂上采用激光非接触式测量圆度系统进行演练, 就会直观的展示圆度误差的概念, 同时也能带动学生的学习热情。因此我们认为应该在教学中推广此教学方法。

激光非接触式圆度误差测量教具的主要优点有:

(1) 本圆度测量教具降低了老师教课的繁琐与难度, 便于教学。

(2) 在课堂上实物演练帮助学生对圆度的理解, 有利于学生与老师之间的交流互动, 也有利于提高学生的学习兴趣。

(3) 本圆度测量教具结构简单、稳定, 便于拆卸, 操作简单、方便。

(4) 本圆度测量教具易于实现, 成本低廉, 便于推广应用。

1 圆度误差测试教具结构介绍

本教具由底座、可调式脚支撑、激光测距传感器及其支架、步进电机及其驱动器、被测圆筒、轴承及联轴器、单片机模块等构成。

其中, 底座长850mm, 宽320mm, 厚5mm (850×320×5) , 可调式脚支撑高60mm, 圆筒中心与激光测距传感器相距720mm, 圆筒直径50mm, 电动机轴直径7mm。图1为激光非接触式圆度测量教具实物图:

滚筒轴贯穿穿圆筒中心, 直径为7mm, 转矩由F42-H40型号的步进电机经由小型联轴器传递给圆筒轴, 传递的额定转矩为400N.mm, 轴在电动机的带动下旋转, 轴的扭转强度为:

轴的材料为45钢, [τ]=30-40MPa, 因此, 轴的扭转强度符合条件。

支撑圆筒及激光传感器的支架做成三角形状是为了使圆筒转动时状态稳定。工作板下面的四个可调式脚支撑在水平仪的配合下微调, 可以确保底座水平度, 保证圆度误差测试结果的精度。

S42-H40型步进电动机的作用是传递转矩给圆筒轴, 使圆筒轴带动圆筒转动起来。其基本参数:额定功率40W, 额定电压24V, 额定电流1.7A, 最大额定转速1000rpm, 额定转矩400N.mm。该步进电机在单片机及步进电机驱动器控制下工作。单片机通过控制步进电机驱动器控制步进电机的旋转, 单片机每发出一个脉冲信号, 驱动器驱动步进电机转动一个不距角。

2 圆度误差测试教具软件系统及工作过程

在Lab VIEW环境下, 编写软件利用modbus协议串口通信实现对单片机的控制, 该控制包括设置串口号、波特率、数据位和停止位等, 软件界面设置有开始运行, 停止采集, 数据保存等功能按钮。当开始运行指令下达时, 单片机通过串口读取指令, 驱动步进电机带动圆筒转过一个步距角, 此时激光传感器采集距离数据, 单片机通过A/D转换获取该数据。获得的即时距离数据modbus协议串口通讯传至计算机, 在测试界面即时显示该数据。当步进电机转完一整圈, 则获取了全部180个距离数据。由于激光传感器和滚筒转动轴垂直距离一定, 这180个数据的差异即包含有圆度误差信息, 通过圆度误差计算公式拟合成圆度误差曲线。激光非接触式圆度误差测试界面如图2所示。

圆度误差测试教具操作步骤如下:

第一步:测量前用可调式脚支撑配合水平仪衡量调整底板水平度;

第二步:检查各处接线是否可靠;

第三步:将单片机串口用数据线与计算机连接;

第四步:连接电源进行供电并且启动程序进行测量;

第五步:获取圆度误差数据, 汇报测试结果。

3 结束语

非接触式激光圆度测量教具适用于现在繁忙紧张的大学课程教学, 它不仅能够给老师的讲课带来方便, 而且能有助于学生对圆度误差的理解。本教具成本低廉, 结构简单、稳定、便于拆卸、操作简单、方便。它具有直观模拟, 过程简单方便, 同时它可以有效利用较少的时间解决复杂的问题。正是因为它所具有的功能, 所以它有非常广泛的推广应用价值。

参考文献

[1]廖伟强, 姜无疾.单片机串行通讯教学系统研究[J].大众科技, 2013 (11) :133-134.

[2]万文.基于LabVIEW的圆度误差测量分析系统研究[J].机床与液压, 2011 (9) :80-82.

[3]孔令飞.基于LabVIEW的带式输送机托辊圆度误差的测试系统[J].煤矿机械, 2011 (2) :153-155.

高速旋转主轴径向跳动非接触测量 篇3

随着航天航空器的快速发展, 对高速、高精度的旋转机械装备提出了更高要求。高速旋转主轴径向跳动位移量的测量已不仅仅是一种检测, 更重要的是, 通过对测量结果的处理与分析, 可以找出影响加工质量的原因以及加工系统中的薄弱环节, 并提出改进意见, 为精密加工旋转机械装备的设计提供相关理论依据[1]。

机械位移量是机械物体在一定方向上的位置变动, 在机械运动中回转轴线偏离理想位置出现偏差, 对此偏差需要测量其位移量进行指标评判, 径向跳动量是位移量的表现形式, 是机械量测量中最常用的一种[2]。位移量测量对于精密机械运动精度或大型高速旋转机械的安全运转都具有重要意义, 特别是航天器发动机主轴在低温高速环境下运转对主轴径向跳动量要求更为严格。在地面试验过程中, 需要对高速旋转过程中的主轴进行径向跳动监控, 以便将主轴径向跳动量控制在预定范围内, 如果运行中主轴径向跳动量超出预定范围, 则主动控制其停车, 分析超差原因, 解决问题后再进行下次试验, 直到主轴径向跳动量达到设计要求。为了实现高速旋转主轴径向跳动量的非接触测量, 对其测量方法进行以下研究。

1 高速旋转主轴径向跳动测量主要部件构成

为了实现高速旋转主轴径向跳动量的测量, 需采用非接触测量, 一般测量主轴径向跳动量较多采用电感式传感器, 其特点是精度高, 适用于缓慢的位移变化量测量。但在高速旋转的机械装置中, 被测量的有用信号既含低频成分也含有高频成分, 如高速主轴运行过程中存在有径向跳动、轴向跳动、主轴漂移等现象, 因此, 需要选用频响宽、精度高、无接触式的测量传感器。本研究将从高速旋转主轴径向跳动量测量的基本结构设计与应用两方面进行探讨, 以希望对高速旋转主轴设计提供理论依据。

高速旋转主轴径向跳动量非接触测量由传感器、信号处理、信号显示、输出控制及电源供电电压五部分完成。其原理框图如图1所示。传感器固定在一个靠近被测体的支架上。调整与被测体的距离, 使被侧点在测量量程的中点位置。测量时, 被测的径向跳动量经传感器转变成电量, 由前置放大器进行归一化处理, 再经滤波、增益调整、检波整流等电路处理, 其中一路信号送入模数转换器, 转换成数字量, 驱动显示器显示测量结果;另一路提供给比较器, 当被测量值超过设定参考电压时, 控制继电器切断主轴驱动电源, 以达到保护系统的目的。其中的关键在于采用何种类型传感器以及对测量信号的电路处理过程和控制和显示部分的设计等三个方面。

1.1 传感器的选择

传感器测量范围包括大型旋转机械主轴的径向跳动, 被测量的机械高速旋转使得测头无法接触被测量表面, 需要无接触测量。高速旋转机械主轴工作状态时的速度可高达60 000 r/min, 所以传感器的频响应满足0～1 000 Hz。电涡流传感器, 能直接非接触测量转轴的状态, 对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定, 可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点, 在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用[3]。避免了使用其他种类传感器测量方法的复杂性, 使测量电路简单可行。根据主轴精度实际需要, 选用的电涡流传感器动态响应频率为0～10 kHz, 线性范围为100μm～80 mm, 线性量程为0.5 mm, 线性中点为0.25 mm。这样选择传感器, 可以满足高速旋转主轴径向跳动量的测量要求, 降低了对传感器线性度的苛求, 提高了测量精度。

1.2 信号处理

信号处理由前置器、滤波器、增益调节器和检波整流器组成。前置器产生高频振动电流, 激励电涡流传感器线圈, 当被测物体由于机械变化接近电涡流传感器时, 则电涡流传感器的电流产生变化, 通过测量可以看到变化量成正弦规律, 周期为被测量轴旋转一周的时间。径向跳动量信号叠加在激励信号上, 先把检测到的微小信号进行滤波, 消除干扰信号, 保留有用信号, 再对其进行放大, 使得后续电路处理方便。激励信号经过反向、移向网络后与偏移量信号叠加的激励信号同时送入检波电路, 两个激励信号大小相等方向相反, 互相抵消掉, 只剩下径向跳动量信号。把此信号做归一化处理后即得到径向跳动量的测量值。

测量电路与传感器在型号上配套使用, 其输出的电压值表征着一定的径向跳动量。前置器分单向位移特性和双向限幅位移特性。这里选用了双向特性, 其位移-电压特性如图2所示。输出线性始点δ1电压为U2, 电压值为-5 V;输出线性终点δ2电压为U1, 电压值为+5 V;输出线性中点δ0电压为0。

电涡流传感器的灵敏度调整为20 mV/μm, 当位移量达±200μm时前置器输出为±4 000 mV;而A/D转换器输入±4 000 mV时显示±1 999。为使径向跳动量与显示对应, 电路中设计有增益调节器, 通过调节放大器的增益倍数使径向跳动量达到20μm时显示199.9。使得在整个量程范围内呈线性趋势, 保证了测量精度。

在前置器的输出端设计有隔直电容选择开关, 当测量跳动量时用隔直电容将直流分量消除掉;当测量偏移量时将隔直电容断掉, 以此扩大仪器的使用范围, 使此测量方法既能工作于动态测量又能工作于静态测量。

1.3 控制和显示

控制部分设计的目的是为了保障主轴运行的安全性, 一旦由于意外造成偏移量过大, 控制电路将能及时切断主轴电源, 避免主轴因过大径向跳动量引起的甩动而造成的破坏。控制部分由比较器、功率驱动、能隙基准源电路组成。比较器的反向端输入处理后的被测信号, 同相端输入参考电压, 当被测信号高于参考电压时, 比较器输出翻转成低电平, 此低电平通过功率放大驱动控制继电器使其切断受控电源, 停车同时报警。

为了提高控制精度和稳定性, 参考电压的稳定性至关重要, 采用温度系数较小的能隙电路LM336精密2.5 V电压基准[4]作为其工作电源。参考电压通过电位器进行调节, 根据被测量机械物体的位移量来设定偏移的上限值。

显示部分的主芯片是三位半智能转换器IC7107[1]。它将被测信号的模拟量转换成数字量直接驱动共阳极4位8段LED数码管, 满量程显示1 999。可以及时准确的显示测量值, 保证显示的稳定性和重复性。A/D转换器的输入端设计有转换开关, 以此选择可分别显示测量值或参考电压值, 便于调整时可准确设定偏移的上限值。

控制和显示部分可以直接表现出主轴的运行情况, 便于及时发现问题, 查找主轴设计、安装、运行状态等原因, 实现高速旋转主轴径向跳动非接触测量的目的。

2 应用实例

将在上述研究基础上设计的高速旋转主轴径向跳动量非接触测控仪应用于高速低温液氮主轴轴承寿命试验机上, 记录的跳动量曲线如图3所示。当转速上升时, 主轴径向跳动量逐渐增大, 转速上升至40 000 r/min并保持, 主轴径向跳动量保持一段时间后开始下降, 逐渐下降到稳定值并保持。主轴径向跳动量呈正弦波状由小到大匀速增大, 最大径向跳动量达2.359μm, 速度稳定后, 主轴径向跳动量由大到小呈振荡衰减直至稳定到1μm左右。

主轴径向跳动量值与主轴的设计、装配、润滑等因素关系密切, 应根据主轴设计轴心允许偏移量的具体情况, 来设置径向跳动量极限值。当主轴径向跳动量超过上下限极值时, 测控仪准确并及时报警, 控制试验机停车, 从而避免主轴损伤。将此测量方法嵌入试验机测控系统如图4所示, 可准确测量主轴径向跳动量并输出至打印设备, 实时将主轴径向跳动量记录在案, 为分析试验机运行状况和改进设计提供第一手数据资料。图3为主轴径向跳动量趋势图, 起始时间段与变频器控制的主轴速度上升加速度有关, 加速度越大, 径向跳动量越大;反之加速度缓慢径向跳动量上升趋势也缓慢。当速度保持平稳后的时间段, 径向跳动量呈下降趋势, 然后达到平衡保持稳定的径向跳动量。以此为基础值, 改变主轴运行环境的情况下, 可以观测主轴的径向跳动量在各种环境影响下的变化量。如:在液氮 (-196℃) 环境中, 在液氢 (-256℃) 环境中, 以及常温环境中相同加速度和转速的情况下, 测量出主轴径向跳动量的变化情况, 为低温主轴设计提供实验数据。

3 结束语

对高速旋转主轴运行时径向跳动量的精确测量和主轴运行状态的监测方法进行了研究, 选择电涡流传感器进行非接触测量, 设计了用于测量的实用电路。电路构成简单, 测量精度高, 稳定性好, 测量及时准确, 为改进主轴设计提供了测试数据资料。

非接触的主轴径向跳动量测量在石油、化工、电力、机械等行业的旋转机械测量中都得到广泛应用[5], 如轴向位移、轴的径向振动、震差、偏心等指标的在线测量和安全监控保护, 本测控仪不仅能用于动态测量也可用于零件尺寸的静态检测。

摘要：高速旋转主轴的径向跳动位移量测量对于精密机械运动精度或大型高速旋转机械的安全运转都具有重要意义。高速旋转主轴径向跳动位移量需非接触测量, 从传感器选择, 信号处理、控制和显示以及等几个方面介绍了无接触径向跳动位移量测控仪的原理。此种测量方法可广泛用于旋转机械主轴径向跳动、轴向跳动等的在线监测和安全监控保护, 也可用于零件尺寸的检测。

关键词：高速主轴,径向跳动,非接触测量

参考文献

[1]王凯.磁悬浮转子回转误差的测试技术研究[D].西安:西安理工大学, 2007.

[2]梁森, 欧阳三泰, 王侃夫.自动检测技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[3]宋雪臣.传感器与检测技术[M].北京:人民邮电出版社, 2009.

[4]陈振辉, 马平, 吴球红, 等.基于MAX197高速主轴回转误差的测量[J].机电工程技术, 2008 (1) :5760.

非接触激光测量 篇4

接触网高度测量主要分为两大主流方向, 即接触式测量与非接触式测量[5,6]。接触式测量, 一般是在受电弓上安装角位移传感器, 受电弓弓板高度发生变化时, 主轴的角度发生变化, 根据此角度变化值即可反演出接触网的高度变化[7]。非接触式测量主要是基于光学原理, 一端由光源对准接触网发射准直光束, 另一端由探测器接收反射光束, 根据光束在探测器靶面的投影位置得出接触网高度[8]。

接触式测量一般为间接式测量, 无法真实反映出接触网高度的实际变化情况, 因而不能为受电弓提供反馈预测, 而非接触式测量则可有效规避上述问题, 同时不会对被检测受电弓的力学特性产生任何影响, 所以成为当前主流的测试手段。但是, 现有非接触式测量大多基于光学方法, 容易受到外界光线环境干扰, 特别是接触网高度测量大部分是以天空为背景, 在太阳直射的情况下, 会在一定程度上影响测量结果, 因此应在减弱非相干光源干扰等方面加以改进。本文所设计的接触网高度快速检测系统 ( 见图1) , 在现有的非接触式测量设备的基础上, 增加了GPS太阳高度角定位模块, 通过激光雷达对准角度的反向调整使其尽量避免太阳直射对测量结果的影响, 测量示意图如图2 所示。

1 系统的硬件结构

该接触网高度检测系统主要由激光雷达阵列、GPS太阳高度角定位模块、数据采集及处理模块、激光雷达对准角度调整结构、接触网高度输出模块等几部分组成 ( 见图3) , 固定在电力机车顶部受电弓装置附近。

1. 1 数据采集及处理模块

作为整个系统的数据处理及时序控制的核心部分, 采用FPGA + DSP双处理器结构。其中, FPGA用于时序信号的产生、信号采集芯片的驱动、控制命令的收发; 而DSP则主要是用于高速信号的提取与处理。

1. 2 激光雷达阵列

为了减小受电弓的单点磨损, 接触网沿导轨的水平方向呈“之”字形分布, 因此, 不同时刻接触线与受电弓接触点位置不同。要想测量其当前高度, 必须首先对其位置进行快速定位后再进行测量。在实际测量中, 接触网高度起伏在5. 3 ~ 6. 5 m, 去除车体及结构高度, 测量高度范围小于2 m。由于动车的接触网线径为12. 9 mm, 为检测出接触线高度, 要求激光雷达角分辨率不大于0. 37° 即可[9]。为此, 本系统选择UTM - 30LX - EW型2 维激光扫描雷达对机车上方接触线可能存在的位置进行快速扫描, 通过信号处理, 可计算出当前接触网位置和高度。该雷达测量范围270°, 可在100 000lx光强下工作, 且扫描角分辨率高达0. 25°。与本文数据采集及处理模块相结合, 单次扫描及高度测量时间小于30 ms。

为了进一步缩短单次测量时间, 提高检测频率, 采用了激光雷达阵列结构。该结构由若干激光雷达排列组成, 用于实现对当前接触网高度进行等间隔分时循环采样, 时序图如图4 所示, 以进一步提高测量频率。本系统采取的雷达阵列数为2。

1. 3 GPS定位模块及雷达对准角度调整结构

本系统通过GPS模块实时获取机车当前位置、时间信息, 计算出当前太阳高度角后, 根据计算的角度通过反向调整激光雷达的对准角度调整结构, 使雷达阵列背对太阳的角度进行接触网高度测量, 以避免太阳直射的影响。为了避免对准角度调整结构的频繁调整对测量速度产生影响, 仅将机车上表面以上的半球空间平分为两大部分, 如图5 所示。当太阳高度角位于空间1 范围内时, 调整雷达阵列对准1 位置;当太阳高度角位于空间2 范围内时, 调整雷达阵列对准2 位置。只有太阳高度角在空间1 和空间2 发生角度变换时, 才进行角度调整, 其他时刻雷达阵列位置保持不变, 从而避免了调整结构的频繁扰动。

1. 4 接触网高度输出模块

每次接触网高度计算结束后, 实时通过该模块的RS485 串行接口将计算结果反馈给受电弓控制器, 以便为受电弓的搭接角度提供信息参考。

2 系统的软件控制流程

结合上述硬件部分的描述, 本检测系统主要实现如下功能: GPS信息采集及太阳高度角计算、雷达阵列对准角度的调整、雷达阵列的驱动与数据采集、接触网高度的数据处理与计算、检测结果的反馈输出。系统流程图如图6 所示。

设备在运行过程中, 数据采集及处理模块首先利用GPS定位模块, 读取机车当前的位置和时间信息, 按照太阳高度角计算公式对当前位置太阳高度角进行计算。根据计算得到的太阳高度角范围, 按照图5 方式, 通过角度调整结构对激光雷达阵列的对准角度进行判断和调整。角度调整结束后, 数据采集及处理模块通过时序驱动信号, 对激光雷达阵列依次进行等间隔驱动控制, 如此循环往复。激光雷达阵列将采集到的扫描数据依次传输给数据采集及处理模块。数据处理模块将扫描数据进行提取和计算, 将计算结果实时反馈给受电弓控制器, 以实现对接触网高度的持续测量。

3 实验结果

检测精度是衡量整个系统性能的最为关键性的指标。利用该系统分别对500 mm、1 000 mm、1 500mm、2 000 mm的给定距离进行100次连续测量, 测得的误差范围分别为±14 mm、±10.5 mm、±10.5mm和±8.5 mm。

在500 ~2 000 mm测量范围内, 本系统的测量精度小于 ± 15 mm。此外, 在系统实时性方面, 通过实际测量, 平均单次采样及处理时间小于16 ms, 即测量频率小于50 Hz。

4 结论

非接触式接触网高度快速检测系统与现有常规接触网高度检测设备相比, 引入了多个激光雷达等时差并行循环测量, 大大缩短了单次扫描与测量所消耗的时间。此外, 还将太阳高度角测量模块引入系统中, 作为参考值反向调整激光雷达测量时的对准角度, 进一步降低太阳直射对测量结果造成的干扰, 增强了系统的适应性和稳定性。

参考文献

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[4]郭晓旭, 刘志刚, 张桂南, 等.角点配准与图像查分的接触网绝缘子故障检测[J].电力系统及其自动化学报, 2015, 27 (2) :8-14.

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[8]牛大鹏.非接触式接触网几何参数检测系统研究[D].四川:西南交通大学, 2004.

非接触测量规范的建立方法研究 篇5

随着现代技术的发展,现代工业的生产效率也越来越高,测量技术也要求高效、准确和无损伤,传统的游标卡尺、千分尺等接触式量具量仪效率低下、稳定性不高,而且由于量具直接接触工件表面,不可避免地会对工件或者量具造成损伤,因此非接触测量技术应运而生。经过长时间的发展,非接触测量技术的种类越来越多,主要以光电、电磁、超声波技术为基础,出现了核磁共振法、射线扫描法、电涡流测量法、结构光法、激光三角法、激光测距法、干涉测量法、立体视觉法、超声波测距法等各种各样的光学法和非光学法的非接触测量技术[1]。

1非接触式测量

非接触式测量是指在不接触被测物体的前提下进行精准测量,它是利用非接触扫描快速地得到整个零件的点云,然后通过相应软件对得到的点云数据进行分析。目前光学三维扫描仪按照其原理分为“激光式”和“影像式”两类。激光式测量的基本原理是由激光器发出的光经光学系统形成一个很细的平行光束,照到被测工件上面,再由工件表面反射回来,反射回来的光按照一定的关系成像于光电检测器件的不同位置,从而探测出被测表面的位置[2]。非接触式测量的优点是不必进行测头补偿,测量速度较快,不需要与被测物体表面接触,受环境影响小;缺点是测量精度相对接触式测量低。

目前激光 式测量设 备有三坐 标激光扫 描ScanWorksV4ix和ROMER关节臂激光扫描,如图1、图2所示;影像式测量设备有TriCam测量机器人和WLS400M白光扫描,如图3、图4所示。

2非接触特征的测量

2.1非接触式测量流程

非接触式测量大致包括如下6个步骤:1图纸解读;2测量准备;3建立坐标系;4特征测量;5点云处理;6评价。

在图纸解读阶段,主要是对工件的尺寸、公差、基准的建立等做一个大致的解读,然后对工件的摆放位置和坐标系的建立做一个大致的规划;接着进行测量准备工作,先看工件是否符合要求,这其中包括要求工件不能是透明的、工件表面颜色不能是黑色等,如果达不到要求,可以对工件喷涂显影剂;然后开始建立坐标系,三坐标激光扫描ScanWorksV4ix必须先使用硬测针建立坐标系,ROMER关节臂激光扫描如果在精度要求不是很高的情况下可以用扫描点云方式建立坐标系,WLS400M白光扫描采用固定坐标定位建立坐标系,TriCam测量用传感器测量建立坐标系;接下来进行特征测量,三坐标激光扫描应采用曲面扫描且激光头应该垂直于被测工件表面;再下来对扫描出来的点云进行处理,主要是对点云范围进行选择和对点云进行过滤等;最后对测量的结果进行评价,由于现有的测量设备当中,三坐标测量机的精度较高,可达2μm~5μm,因此本文选取其作为比对标准,将非接触测量实验获取的被测工件的测量数据与通过三坐标测量机获取的相应的测量数据进行比较,从而得到它们之间的测量差值。非接触特征测量流程如图5所示。

2.2测量不确定度来源分析

非接触测量涉及到一个庞大而复杂的技术和应用体系,而且整个工作涉及到的环节也很多,所有这些都会对测量结果的产生带来影响,对测量结果的质量可以用测量不确定度来定量地说明。

在非接触测量中,影响测量不确定度的因素有很多,具体内容如图6所示。在这些影响因素中,测量设备的参考元素、测量设备、测量设备性能与参数设置都可以按GB/T16857(ISO10360)系列标准的相关内容进行检定与修正,测量设备供应商会提供相应的补偿方法。在一般的测量工作中,环境的影响、物理常数和转换因子、测量评定软件和计算方法等也有办法可以得到相应的补偿和检定[3]。下面就以三坐标激光扫描为例,介绍在非接触测量规范的建立过程中,如何通过一系列的实验对扫描过程中的不确定因素进行合理的选择。由于在三坐标激光扫描过程中,扫描角度和频率这两个不确定因素对实验的结果影响比较大,通过两个实验分别对扫描角度和频率这两个不确定因素进行合理的选择。

2.2.1角度的选择

实验选用的模型必须具备如下两个特点:1具有圆、槽等基本特征;2不易反光,适用于三坐标激光扫描。最终选择Leica模型作为 三坐标激 光扫描的 对象,该模型如图7所示。

实验条件如下:扫描频率为30 Hz,扫描速度 为100%(最大),最佳景深,行距为2,扫描模式。在模型上任意选取具有代表性的特征点进行扫描,三坐标激光扫描测量机的激光头角度分为A,B两种角度,其中A为0°~105°,B为-180°~+180°,每7.5°为一个增量,共有720种角度可选。数据庞大,况且逐个验证意义并不是很大,通过实验验证,当A角小于60°或B角小于135°时,得到的实验结果误差很大,所以围绕垂直于被测工件表面的角度,激光扫描头分别在随机选取的(A60B180)、(A67.5B180)、(A75B180)、(A105B180)、(A90B142.5)、(A90B157.5)、(A90B165)、(A90B135)、(A90B180)角度下对特征点进行扫描,然后将扫描的数据与三坐标测量机测出的数据进行比较并得出它们的测量差值。不同扫描角度下各特征点的测量差值如图8所示。

从图8可以看出,激光扫描头在垂直于被测工件表面的角度下,实验数据稳定性与重复性好,偏差也较小。

2.2.2频率的选择

选用的实验模 型依然是Leica模型,扫描角度(A90B180),扫描速度100%(最大),最佳景深,行距为2,扫描模式。激光扫描头分别在供应商推荐使用的15Hz和30Hz两种频率下对特征点进行扫描,然后将扫描的数据与三坐标测量机测出的数据进行比较并得出它们的测量差值,不同频率下各特征点的测量差值如图9所示。

从图9可以看出,激光扫描头在30 Hz这个频率下扫描的数据更接近于三坐标测量值,所以激光扫描头扫描的最佳频率是30Hz。

3总结

该非接触测量规范是建立在大量的 实验基础之上,在实践中具有很强的指导性,虽然可能还有一些不足的地方,相信在以后的实践中会逐渐得到完善。

摘要：从激光式测量和影像式测量这两大类非接触测量出发,运用非接触测量机开展测量工作,得到了一个完整的非接触测量流程,并且对测量不确定度进行了分析,最终建立了一套完整的非接触测量规范,并通过相关的实验验证了该规范的可行性。

非接触激光测量 篇6

著名科学家门捷列夫指出:科学是从测量开始的。电流的检测在人们的生产和生活的过程中都是十分普遍的，特别是当电流是模拟信号时，给人们的检测带来了许多的不便。而利用现代科技的高度发达给电流的检测带来了简便的方法，从而给全世界人们的生产和生活都会带来极大的方便。

在自动控制系统中，直流测速发电机的输出直流电压与转速呈线性关系，因此检测它的输出电压就能间接地检测电机的转速;在许多自动控制系统中，一些控制信号也是直流信号，需要检测，但直流检测往往存在两个最明显的困难:1)直流测量仪表不便串入电路中;2)直流检测电路与被测电路不能直接耦合，否则就会影响被测电路的直流工作点，即直流检测的隔离成为问题。这使传感器和周围的电子电气隔离和保护可以实现。对电气设备的各种非接触性测量中，基于磁场检测的非接触电流测量仪研究便成为现在研究的一个方面，如何更加快捷，安全，有效的通过对磁场的检测而得出电流就显得更加的重要。

磁阻效应(Magnetoresistance Effects)是指某金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的，在传感器线性范围内，其输出电压与被测磁场成正比，进而检测出被测导线的电流值。

2 磁场测量的理论基础

根据奥斯特实验，电流可以产生磁场，根据毕奥萨伐尔定律，一个无限长直导线在通以电流I时会产生环形的感应磁场，在距该导线距离为R处，其磁感应强度B为:

其中，B为磁感应强度，T;μ为介质中的磁导率，H/m;I为导线中电流强度;π为圆周率;R为导线与传感器之间的距离，m。

当导线非无限长时，此时磁感应强度B表达为:

其中，B为磁感应强度，T;μ为介质中的磁导率，H/m;I为导线中电流强度;π为圆周率;R为导线与传感器之间的距离，m;α1，α2均为测量点与导线两端所成的夹角，(°)。

根据电磁场理论，一个圆柱形的导体或者空心圆柱形的导体，在有电流I通过时其在导体外部产生的磁场可以等效成由圆柱中心处的一个线电流I所产生的磁场。

3 总体方案

电流检测是检查电力系统工作状态、故障诊断的重要手段。由于通电导线周围伴生相应的感应磁场，磁场大小与电流强度和距导线的距离有关。采用单轴磁传感器测量通电导线周围磁场的大小来实现非接触式电流检测。

主要任务:连接一个待测电流的实验电路，根据霍尼韦尔传感器的原理，霍尼韦尔传感器检测出电流引起的磁场的大小，检测磁感应强度形成检测输入信号。霍尼韦尔传感器将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的电压值，然后信号再经过信号放大器，A/D转换送到单片机AT89C51中，最后经过LCD显示出被测电流。在掌握基于磁场检测的非接触电流测量仪的工作原理的基础上，设计基于单轴磁传感器的非接触电流测量仪单片机电路设计，编写单片机程序，实现电流强度实时测量，并用protues+Keil仿真调试。

任务分为:传感器模块，键盘模块，单片机对数据处理和对系统的控制。

传感器模块采集被测导线周围的磁信号，将磁信号转换为电压信号，经过二级放大器放大后送入A/D转换器中，A/D转换器将电压的模拟量转换为数字量送到单片机中。

键盘模块给单片机送入传感器与被测导线距离值。

单片机负责对A/D转换器和键盘送来的值进行处理，然后经过相应的算法转化为被测电流值，送到LCD显示模块进行显示。

连接一个待测电流的实验电路，根据霍尼韦尔传感器的原理，霍尼韦尔传感器检测出电流引起的磁场的大小，检测磁感应强度形成检测输入信号。霍尼韦尔传感器将测量点的磁感应强度的大小转化成相应大小的电压值，然后信号再经过信号放大器，A/D转换送到单片机中，最后经过LCD显示出被测电流。系统流程图如图1所示。

方案中用到的AT89C51单片机，霍尼韦尔传感器HMC1021Z,OP07放大电路，A/D转换器ADC0809，液晶显示器LCD1602。

4 系统软件设计

系统软件采用C语言编程，采用模块化结构，主要包括初始化模块、A/D采样处理模块等部分，修改和维护十分方便。初始化模块主要完成各个端口以及2个计时器的初始化，并定义使用的各个端口。A/D采样处理模块主要是对从ADC0809采集来的数据进行处理，并将数据送到LCD1602限时。ADC0809与单片机系统AT89C51的连接采用循环扫描的方式。当A/D转换结束后，ADC0809向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，使LCD显示当前的电流值。

5 仿真实验

采用protues进行仿真。由于protues中没有磁阻传感器，本仿真用测量滑动变阻器两端的电压代替磁阻传感器的输出电压，电压经过放大器放大后，送到模数转换芯片ADC0809，将电压模拟量转换为数字量，送到单片机中，单片机经过相应的算法将磁场强度值转换为被测导线的电流值。单片机执行的算法为:首先运用导线周围磁场和导线电流的关系，得出导线周围的磁场强度。导线周围磁场和导线电流的关系为:

其中，μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7V·s/(A·m);R为导线与传感器的距离;I为导线中的电流。

然后再运用传感器检测到磁场强度与输出电压的关系，计算出传感器输出的电压。传感器检测到磁场强度与输出电压的关系为:

B=U/16 m V/高斯。

其中，16 m V/高斯为HMC1021的灵敏度。

最后计算出被测导线中的电流:

其中，I为被测导线的电流;U为传感器的输出电压;R为导线与传感器之间的距离，在这里我们默认R=1。

1)传感器模块。传感器模块，用滑动变阻器取代传感器，滑动变阻器两端的输出电压表示传感器两端的输出电压。

2)运算放大器模块。运算放大器模块，由于传感器输出电压比较小，需要对输出电压进行发电。采用OP07作为放大器，放大倍数为5倍。

3)AD转换模块。AD转换模块，将放大后的模拟量转化为数字，以便单片机能够识别，本仿真采用ADC0809，采样频率为12 MHz。选用通道1，将ADDA,ADDB,ADDC都置为0。

4)单片机模块。单片机模块，将ADC0809送来的数字量，经过相应的算法转换为被测导线两端的电压，并将电压值送到数码管显示。

5)仿真举例。当传感器两端输出电压U=10.06 m V时，代入公式可以得知导线产生的磁场:

B=U/16 m V/高斯=0.628 75高斯。

当距离R=1 m时，将U=10.06代入公式即可算出导体中的电流I=10.06/32×102=31.562 5 A。由于精度有限，所以与显示结果相符。

6 结语

简述了直流大电流测量的背景、意义和发展现状，对各种主要原理进行研究，为电流传感器的开发建立良好的理论基础。研究磁阻传感器原理的基础上，提出了基于霍尔韦尼传感器检测电流的方案，并用protues进行了仿真实验，能实时的检测电流值。

摘要：综述了现在非接触电流测量仪的发展情况,分析了非接触电流测量仪的市场现状,介绍了非接触电流测量的概念及非接触电流测量的几种测试方法。在比较各种直流测量原理的基础上,提出了单轴磁阻传感器测量母线周围磁场,进而达到测量母线电流的目的。

关键词：非接触电流测量,直流,霍尼韦尔传感器

参考文献

[1]陈庆.基于霍尔效应和空芯线圈的电流检测新技术[D].武汉:华中科技大学博士学位论文,2008:118.

[2]邓重一.利用霍尔传感器芯片设计直流电流检测电路[J].传感器技术,2003,22(6):50-52.

[3]柳立平,刘焱.特种电流传感器[J].传感器技术,2003,22(12):68-69.

非接触激光测量 篇7

目前,对于能测物体内部轮廓的非接触测量方法主要包括利用发射和接收电磁波信号的雷达成像,利用声波信号的超声波成像,利用物体对X射线吸收的计算机体层摄影(CT)等,多应用于特定专业领域,造价较高,且精度和分辨度差异较大;MRI测量法基于核物理学的磁共振理论,能深入物体内部且不破坏物体,对生物没有损害,在医疗上应用广泛。但其造价高,目前对非生物材料不适用;采用超声波的数字化方法相对CT和MRI而言,设备简单,成本较低,但测量速度较慢,且测量精度不稳定,目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。依托图像处理技术,断层数据的三维重构技术的应用主要集中在医学领域,该技术在工业上的应用前景广阔,其中对新的测量技术与重构算法的研究是其焦点问题之一[1]。参考工业CT的相关测量原理,本文设计了一种基于均质实体的轮廓切片非接触三维测量方法,突破了目前三维非接触测量装置、三维重构算法研发的局限,能对各种形状的实体轮廓进行测量,该方法的研制成功将有着重要的经济价值和广阔的应用前景,并能测量含有通孔等内部轮廓的实体。

1 基于均质实体的轮廓切片非接触三维测量方法工作原理

如图1所示,任何一个物体都可以看成是由很多个平行片层组成,每个片层都有很多个微小的正方体组成,一个微小的正方体称为一个单元体素体,则物体是由很多个单元体素体构成的。根据阿基米德定律:浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开的液体的重量,即浮力的大小与液体的密度和物体排开的液体的体积有关,而与物体的形状无关。

本测量方法利用阿基米德定律,假设被测实体均质并由一个个很小的正方体单元实体组成,所选液体的密度已知,设计浮力测量装置在精密运动平台驱动下作垂直运动,液面逐层浸入被测实体一定垂直距离(通常取单元体素体的边长),利用三维物体的空间单元表示法,可将三维物体离散为有限小的正方体单元的集合,正方体单元沿坐标方向对齐布置,其质量视为单元质量1,称之为实单元;在被测实体每一片层的相应位置,1表示正方体单元被填充,即实体存在,反之空单元以0表示(如图2所示)。通过电子天平测量并计算得到相应薄片层的浮力变化值及每片层重力矩等信息,分别对X、Y、Z三个方向的测量、结合液体密度和力臂等参数,逐层计算并提取其质量、重心等信息,转换测量状态,经过数据处理,利用重构算法[2]推算出各层面上微小实体单元在三维坐标系中的位置,获取被测实体的三维信息,重构出被测实体的片层轮廓和三维尺寸。

2 测量方案设计及工作过程

根据测量工作原理,浮力测量的精确度直接关系到最后的重构精度,因此测量关键是如何准确测量浮力大小。根据本方法测量原理及其重构算法,测量总体方案设计如图3所示。本测量系统主要包括由平衡系统、精密运动控制系统、液面控制系统、配重系统、精密测重系统等组成的硬件系统和采集数据处理系统等组成的软件系统。

由阿基米德定律:浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开的液体的重量:

式中,F1为被测物体在液体中受到的浮力,ρ1为液体的密度,V1为排出液体的体积。

要实现被测物体每层体积的测量,除了直接用高精度力传感器2测出排出液体的重量,再根据式(1)算出排出液体的体积外,为了对润湿效应和液体表面张力带来的影响进行补偿和修正,还通过设计平衡系统,采用杠杆原理对排出液体重量进行测量,利用高精度力传感器1测出每层排出液体后浮力的变化,进而算出排出液体的体积,结合两次所测体积值进行补偿和修正。同时,建立空间坐标系,应用杠杆原理可以测出被测物体每层的重力矩,从而可以计算出每层实体的重心位置。分别对被测实体X、Y、Z三个方向进行测量,根据每层算出的体积推算出每层所含单元体素体数量,结合每层重力矩信息、重心信息推算出每个单元体素体的空间位置坐标[2]。测量时,首先把被测实体完全浸入液体中,液体取表面张力系数很小的混合配制液体,通过配重系统调节系统平衡,并保证此时高精度力传感器1受力很小,计算机软件对此自动记录。精密运动控制平台初始状态保证容器1中液面处于溢流临界状态。通过高精度力传感器2把初始重量记录在计算机中。当精密运动控制平台带动容器1上升一微小位移时,容器1排出液体流入容器2中,高精度力传感器2把流入液体的重量送入计算机中,计算机算出这层的体积并记录。同时,由于液面的变化,系统要维持平衡,则高精度力传感器1的受力将改变,计算机记录平衡时的数值,根据杠杆各支点的受力和距离关系可算出该层的重力矩、重心坐标和体积。当液面逐层上升使高精度力传感器接近其量程时,分别启动配重系统进行配重,并记录配重完后各个状态数值,然后重复进行测量。

由于所测浮力要求很高,采用瑞士MetterToledo AB203-S电子分析天平1,最大称量值为220g,测量精度0.1mg[3],它通过串口与计算机直接相连,用于测量被测实体浸入液体中每薄层所受的浮力。测量中,横杆可由力传感器1和2测量读数判断其是否处于平衡状态。精密运动控制平台采用美国BAYSIDE LM系列运动平台[4],其重复定位精度达±5µm,它的作用是通过控制定位平台,实现工作台的定位,精密运动控制平台通过计算机根据PMAC控制指令[5],控制浮力测量装置液面按指定高度逐层浸没被测实体,保证被测实体每次浸入容器1中液体的深度都相等。测力传感器选用航天科技集团703所研制的BK3型电阻应变式测力与称重传感器,具有良好的输出特性和抗偏能力,测量精度高,安装使用方便,性能稳定可靠,并匹配XSB-I型称重显示控制仪,其作用是保护系统稳定和使横梁处于水平及平衡,从而使配重实体所受的合力与被测实体的重量相当,保证被测实体测量的顺利进行。

3 计算每一片层的重力矩与重心坐标位置的数学建模

1)计算被测实体每浸入液体一片层厚度时排开液体体积和其片层质量,对测量控制系统工作原理示意图3中的组件进行受力分析,如图4所示。

图4中G为被测实体所受的重力,W、W1分别为配重物和配重系统配重物重力;F浮i1,Ti1分别为被测实体在第1位置测量时第i层浸入液体中平衡后所受的浮力、拉力;Nil为被测实体在第1位置测量时第i层浸入液体中平衡后横杆所受的拉力;T'i1和Tli、Nil和N'i1分别为作用力和反作用力;T天平i1分别为被测实体在第1位置测量时第i层浸入液体中平衡后天平受到的力,通过天平读数计算得到;L为位置1下挂力作用线距支点距离。L1为天平上下挂悬线与支点距离,L2为配重系统上下挂悬线与支点距离,L3为位置2下挂力作用线与支点距离,ιi、ιi+1分别为在第1位置测量时第i层和i+1层重心与支点距离。

(1)在位置1测量时,对被测实体进行受力分析,当被测实体在第i层浸入液体中平衡后,由受力平衡和杠杆平衡,有:

当被测实体在第i+1层浸入液体中平衡后,由受力平衡和杠杆平衡,有:

(2)在位置2测量时,保持被测实体的测量状态不变,只改变测量位置,当被测实体在第i层浸入液体中平衡后,由受力平衡和杠杆平衡,有:

当被测实体在第i+1层浸入液体中平衡后,由受力平衡和杠杆平衡,有:

由于是同一层不同位置浸入液体中,则F浮il=F浮i2,由式(6)减去式(3):

第i层被测实体排开液体的体积∆Vi为:

式中,ρ液为液体的密度。

第i层片层的质量为:

式中,ρ为被测实体的密度。

2)计算每一片层的重心位置

为研究的方便,可取边长为单位1的正方体为体素单元,其质量为单位1,此正方体单元的重心位于其几何中心,实测数据可转化为由质量单元表示的重量。根据式(2)和式(7),有:

建立空间直角坐标系,设第i层重心为Zi(xi,yi,zi),系统平衡后,取第i层分析:设该层单元体素体总数为n(包括实单元、空单元),有下列方程:

式中,mj为第i层相应实单元体素体。

(2)由实单元体素体定义并根据二进制图像象素值只取0或1,有:

3)建立空间坐标系,由质点系重心坐标公式,求相应片层重心坐标。

由于重力作用在物体的每一微小部分上,为一分布力系,工程上通常把物体各微小部分的重力视为空间平行力系。物体的重心即物体重力合力的作用点,相对于物体本身来说就是一个确定的几何点,重心相对于物体的位置是固定不变的。测量时液面逐层浸没被测实体,考虑实体薄层的重心。由合力矩定理,设空间直角坐标系oxyz,其中z轴平行于物体的重力,设薄层实体由许多微小单元(称为单元体素体)组成。设第i单元重力为Wi,该实体重心C在x、y轴的坐标为(xc,yc),为实体的总重力,分别求实体的重力对x、y轴的矩。将实体固定在坐标系中,随坐标系一起绕x轴旋转90°,使y轴铅垂向下,对x轴应用合力矩定理,得到薄层实体重心C的坐标(xc,yc,zc)公式为:

同样,可得其他状态时相应片层质量与重心等参数的方程,建立求解数学模型联立求解,由于未知数个数很多,上述方程组系超定方程,传统的求解方法难以求解,通过智能计算联立求解,可计算各层单元体素体质量和相应坐标。

4 结论

通过实验分析验证,对电子天平测量浮力时由于液体的波动而导致的动态测量误差、PMAC平台定位误差引起的测量误差、横梁变形产生的误差、支点处摩擦与偏移产生的误差、滚珠丝杠热变形产生的误差、环境温度变化引起的测量误差和液体表面张力引起的测量误差等进行补偿。已经能实现对被测实体的片层轮廓单元体素体(边长为0.5mm)的测量。由于本课题数学模型提供的解是在空间坐标系下有序的点云图,利用点云拓扑关系,对点云数据进行预处理。采用快速邻点搜索、三角网格等方法,利用反求工程CAD建模软件和方法,可以对基于有序点云图的片层轮廓图形进行重构,根据被测实体所有片层轮廓进而可以实现其三维重构。

参考文献

[1]孙宇臣,葛宝臻,张以谟.物体三维信息测量技术综述[J].光电子.激光,2004,2:248-253.

[2]Yong GAN,Ning SUN,Qing-hua KONG.Research On Method of 3D Contour Digital Measurement For Equal-density Entity.Proceedings of ICMEM2007,2007,12:395-400.

[3]梅特勒-托利多B-S系列天平操作手册[Z].Mettler-Toledoinstruments(shanghai)Co.

[4]BAYSIDE精度定位平台[Z].北京元茂控制设备技术有限责任公司.