涡轮、汽轮发动机叶片等大型工件表面三维形貌测量

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,王,金栋,3012202020,涡轮、汽轮发动机叶片等大型工件表面三维形貌测量,目录,1,关于三维形貌测量,2,三维形貌,测量发展现状,3,常见的几种测量方法,4,相位扫描技术,测量三维,形貌,5,实验结果及误差分析,三维形貌,测量的背景现状,背景一,背景二,背景三,经典,的几何,量,诸如,长度、角度,、,平面,度、,直线度,等,的测量,技术与,检测,手段已经,日,益成熟,。,传统,的测量,内,容和,测量方式,已,经不能,满足,需要,。,物体,的外形,及,外形数,据的,获取成,为人们,在测量,领域,一,个的,重要的研究,方向,。,大,尺寸的不规则自由曲面、,形体,形貌,的,三维测量，如模具外形、涡轮设计、汽轮发动机叶片等，如何快速、高精度地获取大型物体三维表面,数据,，如粗糙度等,成为,现代工业发展中一个亟待解决的,难题,。,发展方向,发展现状,国内外,在该方向上作了大量研究，通过在传统的二维触针式轮廓仪基础上增加一维移动，从而实现了三维测量,。,国际上最为著名的是英国,Rank Taylor Hobson,公司，他们推出过一系列比较成熟的产品，并在生产实际中获得了广泛的应用。其代表性的产品是,Taylor Scan 3D scanner,型具有高速扫描头的表面三维轮廓仪。另外美国,ZYGO,公司也推出了,Dektak series V,型接触式表面轮廓仪。接触式测量方法的测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好，此外它还可以作为其他形貌测量技术的比对方,法。,三维形貌测量的应用,三维形貌测量的应用,几种测量方法,1,机械探针式测量方法,2,光学探针式,3,扫描探针式测量方法,4,扫描电子显微镜测量方法,5,位相干涉测量方法,发展现状,方法,优缺点,精度,机械探针式,较大横向和纵向测最范围、接触式测量、易损伤被测表面、测量时间也较长，仪器测量方法价格比较便宜,纵向分辨率,0,1nm,横向分辨率,0,2um,光学探针式,非接触测量、对物体表面无损伤、使片方便、快速、简单、信息量大、测量时间较长、需要高精度调焦系统、仪器价格贵,纵向分辨率,1nm,横向分辨率,O,1pm,扫描探针式,测量精度最高、纵向和横向测量范围都狭窄、对,操,作环境要求商、涉及的技术难题多、操作复杂仪器价格也非常昂贵,纵向分辨率,0.1nm,横向分辨率,0.1nm,扫描电子显微镜,利用聚焦的非常细的电子束作为电子探针进行测量。适合定性测量、真空环境操作、操作复杂，测量费时,纵向分辨率,10 nm,横向分辨率,2nm,位相干涉法,外差干涉,锁相干涉,频域分析,相移干涉,需要在两干涉光间引入频差、只能在,空间位置,上作逐点测量、精度较高、系统,复杂应用,较少,具有较高信噪比、测量速度慢、数据,量干涉,大、数据分析繁杂、在面形测量应用,较少,对,外界振动和空气,紊流不,敏感、空间载波难确定、难避免频率,混叠带来误差差,、能测动态相位、适用与,干涉条纹,瞬变的情况,结构简单、调制方便、全场测量、高,测量速度,和精度、应用,越,来,越广泛,相移干涉技术、术,是一种定量的波前测量技术,，相移,干涉术被广泛地应用在,光学测试,和测量的各个领域，如：斑点条纹干涉、数字全息术以及三维轮廓术等,。,相移,技术与干涉显微镜相结合测量物体微观表面轮廓，是八十年代以来,发展,的技术。美国亚历桑那大学的博士,研究生对干涉显微镜,进行了改装，将显微镜中的,参板,固定在一块筒状,压电陶瓷上，,通过计算机控制,压电陶瓷驱动,参考板沿光轴方向匀速移动，使参考光,与测量,光,之间的相位差,随时间作线性变化，利用,CCD,面阵探测干涉场上各点,的光强,，从,N,帧光强算式中提取每一点的相位值，由相位与被测表面各点高度,转换,关系式，可获得被测表面轮廓的高度分布。这一系统虽然是性能较为优越,的表面,测量,仪器。,随后,，相移,干涉术得到了长足的发展，但它的发展主要是指一些,相位,提取算法、相位解包裹算法等方面的发展。,关于相移干涉法,相位扫描技术测量表面三维,形貌,示意图,测量过程,测量过程,使用干涉显微镜获取被,测表面,的,干涉条纹,通过压电晶体驱动参考镜振动获取多幅干涉条纹图像,通过,这系列的干涉条纹解调出来被测表面的高度信息,经过图像滤波等处理技术使轮廓达到一个满意的效果,根据数学模型,建立,基准面提取粗糙度信息，最后对表面各种参数进行评定,表面轮廓的相位计算,相位,提取,算法：,理论上,，只需要三次相移测量就可以计算得到被测面每一点的相位信息,，任何,一种相位提取算法都会给出真实的相位值，并且所有算法都会得出相同,的结果,。但是在实际应用中，由于各种误差以及噪声干扰的影响，不同的相位,提取,算法对误差因素的敏感程度不同,，比如适当,的增加采样的次数会减小相移,误差,对计算结果的影响。相移,次数,N,的,选择也是根据算法对噪声的敏感程度的,选取,的，一般来说采样,次数,N,越,大，位相测量误差越小,。,N,帧,算法又称满周期等间距算法或同步探测法。这种算法在一个周期内,进行,等间距采样，设采样次数,为，,每次的相移,量为,=i2,/N,，则引入的,干涉光,场可表示,为,：,根据三角函数的正交性求解，所得的相位表达式,为：,表面,轮廓相位计算,相位,去包裹算法,由上式,计算出的相位分布,妒,(x,，,y),，是被截断在,反正切,函数的主值范围内的，其值域定义,在,-,/,2,与,/2,之间,。,可,将主值范围扩展,到,-,到,。,相位分布,在,-,到,断点,处的数值为,m,*,2,(m,为,整数,),，称为受模,2,所,包裹。为了从相位函数中计算被测物体的高度分布,，必须,将由于反正切函数运算引起的截断相位恢复成原有的连续相位分布，,这个过程,称为相位去包裹,。下图为,包裹在,之间,及去包裹后的相位分布,示意图,。,上图,中轮廓线的相位去包裹是在一维方向上的扩展。具体做法是：在相,位图,中沿着行方向扫描，当出现相位截断,(,两个相邻像素点的差值超过,),时增加,或减少,2,。,即在展开的方向上比较相临两个点的相位值，如果差值,小于,-,，,则后一点的相位值加上,2,；,如果差值大于,+,，,则后一点的相位值,减去,2,。,三维曲面的形成：,误差的出现可能由以下原因所致：,1,杂散光的引入对测量精度有影响。光束在干涉部分经过多次的反射,和投射,，会产生一些杂光，引起干涉条纹的紊乱,，给,测量造成误差。,2,压电陶瓷的迟滞、重复性误差对测量精度也有很大的影响,。,对,压电陶瓷做线性,分析，,选定较好,的线形区域,，根据,其特性,设计相应,的驱动,电源,。,误差,分析,谢谢！,