國外CCD檢測技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展
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2.2形變測量
盡管利用線陣CCD測量材料變形具有非接觸、無磨損、精度高、不引入附加誤差、能測量材 料拉伸的全過程，特別是測量材料在斷裂前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到材料的各種極限特性 參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但只能測量材料拉伸時在軸線方向的均一形變。為此，Scheday,Miehe和Cheva lier等人［13］開展了采用面陣CCD測量材料形變的研究。在此基礎(chǔ)上，Stefan Hart mann等人［14］借助面陣CCD研究了橡膠材料在拉伸和壓縮時的形變情況。即在圓柱 形黑色測試樣品的軸線方向等距標(biāo)定幾個白點(diǎn)，用CCD攝取相應(yīng)圖像并送入計算機(jī)進(jìn)行處理，通過檢測白點(diǎn)標(biāo)記間的距離來計算樣品受力時軸向的形變，并通過輪廓檢測算法得到軸對 稱的圓柱型樣品的輪廓尺寸，經(jīng)過數(shù)據(jù)校正，可計算出被測樣品半徑方向上的形變。這種方 法可同時獲得兩個方向上的形變量，并測量出材料被壓縮時的非均一形變。S.Claudinon,P. Lamesle等人［15］采用類似方法研究了淬火鋼鐵樣品在氣冷時的形變，解決了高溫 樣品的尺寸測量問題，并能連續(xù)測量不同溫度下的形變量，但在低溫時，易產(chǎn)生測量誤差。J.-M.Siguier等［16］為研究大型科學(xué)氣球氣囊表面材料的性質(zhì)，利用兩個CCD攝像 機(jī)攝取被測物體的表面圖像，通過立體相關(guān)方法獲取樣品的三維形變。但這種測量方法技術(shù)復(fù)雜，且在與材料表面垂直的法線方向上獲得的數(shù)據(jù)偏小。
2.3機(jī)械磨損度測量
雖然以上方法可以測量各種工件的尺寸或形變，但在測量某些特殊工件時卻受到許多限制。例如，在檢測高速切割機(jī)上的刀具磨損度時，需要將刀具卸下才能測量。為此，一些研究人 員致力于用機(jī)器視覺檢測刀具磨損程度的研究。2000年，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通過比較各種測量方法，指出基于機(jī)器視覺的檢測系統(tǒng)最具優(yōu)勢和潛力，并構(gòu)建了一套由CCD攝像頭、照明設(shè)備和夾具等組成的非接觸檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在適當(dāng)位置對刀口側(cè)面成像 ，將采集的刀具圖像信號輸入計算機(jī)，計算出刀具磨損輪廓，以此判斷刀具磨損級別，確定刀具更換時間。但該系統(tǒng)的圖像處理過程復(fù)雜，適應(yīng)范圍窄，檢測精度和效率也有待提高。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基礎(chǔ)上，對誤差因素逐一進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，確定了最佳光線照射強(qiáng)度、角度、拍攝角度等，并將光源通過光纖插入鏡頭周圍以減小因陰影 產(chǎn)生的誤差，使夾具自由轉(zhuǎn)動角度增大，成像設(shè)備尺寸縮小，提高了系統(tǒng)的使用范圍。同時，通過采用磨損前后刀具橫向尺寸差來計算磨損度，大大簡化了圖像處理過程。對4種不同刀具的實(shí)驗(yàn)測量表明，該系統(tǒng)的測量信噪比可達(dá)到46 dB，測量精度和速度顯著提高，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線測量，但不適合測量幾何形狀太復(fù)雜的刀具。
2.4三維表面測量
由于CCD傳感器能同時獲取被測表面的亮度和相位信息，因此，將CCD和計算機(jī)圖像處理技術(shù) 與傳統(tǒng)的三維表面非接觸光學(xué)測量方法相結(jié)合，可實(shí)時測量物體形變、振動和外形。上世紀(jì) 90年代初，Yamaguchi等人［19］在斑點(diǎn)干涉測量中使用線陣CCD測量不同材料的帕森比，但線陣CCD只能記錄一維正交相關(guān)性信息。隨著CCD工藝水平的提高，面陣CCD被廣泛應(yīng) 用于三維表面測量［19］。1996年，B.Skarman等［20］提出了相變數(shù)字全息 測量法。此后，F(xiàn).Chesn［21］、C.Quan［22］、P.S.Huang［23］、G.Pedrini等人［24］分別在有關(guān)測量方法中應(yīng)用了CCD技術(shù)，從CCD圖像中獲取相位圖的新方法［24，26，27］也相繼出現(xiàn)。在條紋圖樣投影法中采用相變技術(shù)時，只能檢 測靜物表面輪廓，不適用于實(shí)時檢測振動和變化的表面形狀。為此，C.J.Tay等人［28］建立了對低頻振動的物體表面進(jìn)行三維檢測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振蕩發(fā)生系統(tǒng)、液晶顯示 條紋發(fā)射器、特殊遠(yuǎn)心鏡頭、高速CCD、圖像采集卡和計算機(jī)組成。系統(tǒng)所用的遠(yuǎn)心鏡頭可 以保持放大倍率為常數(shù)，使測量結(jié)果與被測物體和CCD之間的距離無關(guān)，從而減小了測量中 物體振動時因?yàn)榫吧罡淖兌a(chǎn)生的測量誤差。同時，采用相掃描方法逐點(diǎn)計算條紋圖樣相位，可以實(shí)時獲取被測對象的振動頻率和振幅，即時重建物體的表面輪廓，其測量精度可達(dá)振幅值的1／500。但該系統(tǒng)只能測量陽紋平面，且要求有高質(zhì)量的正弦發(fā)射條紋和CCD的圖像采集頻率大于被測物體的振動頻率。隨后，他們又在陰影莫爾條紋干涉法中應(yīng)用類似方法 測量振動物體的三維表面，取得較好效果［29］。盡管該方法比數(shù)字全息法［30］簡單實(shí)用，且對測量環(huán)境的要求相對較低，但測量范圍受到CCD采集速度的限制，對高速振動和無規(guī)則形變的物體表面測量并不實(shí)用。
2.5高溫測量
物體的輻射光波長和強(qiáng)度與物體溫度有著特定的關(guān)系，因此CCD作為一種光電轉(zhuǎn)換器件，可用于溫度測量。1993年，Tenchov等人［31］采用CCD間接測量溶液表面溫度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］用可測量紅外波段的加強(qiáng)型CCD測量液態(tài)金屬的燃燒火焰溫度，但其測量誤差達(dá)到400～200K，缺乏實(shí)用性。此后，利用紅外CCD測量溫度場成為CCD測溫研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人［33］利用CCD的亮度波動信息來研究 熔融硅橋表面的熱流狀況，獲得了較好的結(jié)果。2002年，D.Manca等人［34］提出了一種利用紅外CCD測控燃燒室火焰溫度場的實(shí)用方法。2003年，G.Sutter［35］等人利用加強(qiáng)型CCD測量近似黑體的物體表面發(fā)出的某一波長的單色光，以此得到物體的輻射溫度，所得測量結(jié)果與物體的真實(shí)溫度之間的差別幾乎可以忽略不計，并將其用于測量直角高 速切割機(jī)的刀具溫度場，但作者未具體說明圖像處理和溫度計算方法，也未進(jìn)行誤差分析， 其實(shí)驗(yàn)誤差達(dá)16 ℃。這種方法測量不同范圍的溫度時，需要尋找不同的最佳波長，使用頻帶很窄的濾波片獲取單一波長的光輻射信號。B.Skarman等人［36，37］于1996年提出 用CCD拍攝流體的全息圖，通過圖像處理技術(shù)重建流體的三維溫度場，由于當(dāng)時的CCD采集速度、圖像處理速度和儲存速度都比較低，激光干涉質(zhì)量也不高，使該方法缺乏實(shí)用性；到19 98年，該方法進(jìn)入實(shí)用階段，能測量穩(wěn)定透明液體的三維溫度，并得到流速和流體密度等數(shù) 據(jù)。2002年，C.Hhmann等［38］利用高分辨率溫度傳感液晶顏色隨溫度變化的特性 對被測區(qū)域感溫，然后用彩色CCD攝取液晶表面的顏色圖像來間接測量液體蒸發(fā)時彎月面的 溫度。此方法可實(shí)現(xiàn)小面積的溫度測量，但需要進(jìn)行精確的校正。還有學(xué)者提出利用CCD配 合激光感應(yīng)磷光器測量溫度［39］。事實(shí)上，由CCD的光譜響應(yīng)特性、光電轉(zhuǎn)換特性可知，利用RGB輸出值可得到被測物體表面圖像中的亮度和色度信息，并根據(jù)比色測溫原理計算出物體的表面溫度場。雖然有人提出了基于CCD測溫系統(tǒng)的三維溫度場構(gòu)建算法［4 0］，但直接利用彩色CCD測量溫度的儀器還處在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段。盡管如此，由于CCD技術(shù)能測量運(yùn)動物體的溫度，給出二維或三維溫度場，實(shí)現(xiàn)非接觸高溫測量，因此，CCD測溫技術(shù)有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
3 結(jié)論
綜上所述，CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械與計算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)和光電測試技術(shù)領(lǐng)域。事實(shí)上，凡可用膠卷和光電檢測技術(shù)的地方幾乎都可以應(yīng)用CCD。隨著半導(dǎo)體材料與技術(shù)的發(fā)展，特別是超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，CCD圖像傳感器的性能也在迅速提高，將CCD技術(shù)、計算機(jī)圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法相結(jié)合，能獲取被測對象的更多信息，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的無接觸測量，顯著提高測量技術(shù)水平和智能化水平，因此，CCD技術(shù)必將以其突出的優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)測控、機(jī)器視覺、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其他許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
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