國(guó)外CCD檢測(cè)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(cè)量
盡管利用線陣CCD測(cè)量材料變形具有非接觸、無(wú)磨損、精度高、不引入附加誤差、能測(cè)量材 料拉伸的全過(guò)程，特別是測(cè)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(cè)量材料拉伸時(shí)在軸線方向的均一形變。為此，Scheday,Miehe和Cheva lier等人［13］開(kāi)展了采用面陣CCD測(cè)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(shí)的形變情況。即在圓柱 形黑色測(cè)試樣品的軸線方向等距標(biāo)定幾個(gè)白點(diǎn)，用CCD攝取相應(yīng)圖像并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)檢測(cè)白點(diǎn)標(biāo)記間的距離來(lái)計(jì)算樣品受力時(shí)軸向的形變，并通過(guò)輪廓檢測(cè)算法得到軸對(duì) 稱的圓柱型樣品的輪廓尺寸，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校正，可計(jì)算出被測(cè)樣品半徑方向上的形變。這種方 法可同時(shí)獲得兩個(gè)方向上的形變量，并測(cè)量出材料被壓縮時(shí)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(shí)的形變，解決了高溫 樣品的尺寸測(cè)量問(wèn)題，并能連續(xù)測(cè)量不同溫度下的形變量，但在低溫時(shí)，易產(chǎn)生測(cè)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(gè)CCD攝像 機(jī)攝取被測(cè)物體的表面圖像，通過(guò)立體相關(guān)方法獲取樣品的三維形變。但這種測(cè)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(cè)量
雖然以上方法可以測(cè)量各種工件的尺寸或形變，但在測(cè)量某些特殊工件時(shí)卻受到許多限制。例如，在檢測(cè)高速切割機(jī)上的刀具磨損度時(shí)，需要將刀具卸下才能測(cè)量。為此，一些研究人 員致力于用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)刀具磨損程度的研究。2000年，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通過(guò)比較各種測(cè)量方法，指出基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)系統(tǒng)最具優(yōu)勢(shì)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在適當(dāng)位置對(duì)刀口側(cè)面成像 ，將采集的刀具圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算出刀具磨損輪廓，以此判斷刀具磨損級(jí)別，確定刀具更換時(shí)間。但該系統(tǒng)的圖像處理過(guò)程復(fù)雜，適應(yīng)范圍窄，檢測(cè)精度和效率也有待提高。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(guò)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(dòng)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(shí)，通過(guò)采用磨損前后刀具橫向尺寸差來(lái)計(jì)算磨損度，大大簡(jiǎn)化了圖像處理過(guò)程。對(duì)4種不同刀具的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，該系統(tǒng)的測(cè)量信噪比可達(dá)到46 dB，測(cè)量精度和速度顯著提高，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量，但不適合測(cè)量幾何形狀太復(fù)雜的刀具。
2.4三維表面測(cè)量
由于CCD傳感器能同時(shí)獲取被測(cè)表面的亮度和相位信息，因此，將CCD和計(jì)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(cè)量方法相結(jié)合，可實(shí)時(shí)測(cè)量物體形變、振動(dòng)和外形。上世紀(jì) 90年代初，Yamaguchi等人［19］在斑點(diǎn)干涉測(cè)量中使用線陣CCD測(cè)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(cè)量［19］。1996年，B.Skarman等［20］提出了相變數(shù)字全息 測(cè)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(cè)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(shí)，只能檢 測(cè)靜物表面輪廓，不適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)和變化的表面形狀。為此，C.J.Tay等人［28］建立了對(duì)低頻振動(dòng)的物體表面進(jìn)行三維檢測(cè)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(jì)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(cè)量結(jié)果與被測(cè)物體和CCD之間的距離無(wú)關(guān)，從而減小了測(cè)量中 物體振動(dòng)時(shí)因?yàn)榫吧罡淖兌a(chǎn)生的測(cè)量誤差。同時(shí)，采用相掃描方法逐點(diǎn)計(jì)算條紋圖樣相位，可以實(shí)時(shí)獲取被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)頻率和振幅，即時(shí)重建物體的表面輪廓，其測(cè)量精度可達(dá)振幅值的1／500。但該系統(tǒng)只能測(cè)量陽(yáng)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(cè)物體的振動(dòng)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(cè)量振動(dòng)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(jiǎn)單實(shí)用，且對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求相對(duì)較低，但測(cè)量范圍受到CCD采集速度的限制，對(duì)高速振動(dòng)和無(wú)規(guī)則形變的物體表面測(cè)量并不實(shí)用。
2.5高溫測(cè)量
物體的輻射光波長(zhǎng)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(cè)量。1993年，Tenchov等人［31］采用CCD間接測(cè)量溶液表面溫度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］用可測(cè)量紅外波段的加強(qiáng)型CCD測(cè)量液態(tài)金屬的燃燒火焰溫度，但其測(cè)量誤差達(dá)到400～200K，缺乏實(shí)用性。此后，利用紅外CCD測(cè)量溫度場(chǎng)成為CCD測(cè)溫研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人［33］利用CCD的亮度波動(dòng)信息來(lái)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(cè)控燃燒室火焰溫度場(chǎng)的實(shí)用方法。2003年，G.Sutter［35］等人利用加強(qiáng)型CCD測(cè)量近似黑體的物體表面發(fā)出的某一波長(zhǎng)的單色光，以此得到物體的輻射溫度，所得測(cè)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(jì)，并將其用于測(cè)量直角高 速切割機(jī)的刀具溫度場(chǎng)，但作者未具體說(shuō)明圖像處理和溫度計(jì)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(cè)量不同范圍的溫度時(shí)，需要尋找不同的最佳波長(zhǎng)，使用頻帶很窄的濾波片獲取單一波長(zhǎng)的光輻射信號(hào)。B.Skarman等人［36，37］于1996年提出 用CCD拍攝流體的全息圖，通過(guò)圖像處理技術(shù)重建流體的三維溫度場(chǎng)，由于當(dāng)時(shí)的CCD采集速度、圖像處理速度和儲(chǔ)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(cè)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(duì)被測(cè)區(qū)域感溫，然后用彩色CCD攝取液晶表面的顏色圖像來(lái)間接測(cè)量液體蒸發(fā)時(shí)彎月面的 溫度。此方法可實(shí)現(xiàn)小面積的溫度測(cè)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(cè)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(cè)物體表面圖像中的亮度和色度信息，并根據(jù)比色測(cè)溫原理計(jì)算出物體的表面溫度場(chǎng)。雖然有人提出了基于CCD測(cè)溫系統(tǒng)的三維溫度場(chǎng)構(gòu)建算法［4 0］，但直接利用彩色CCD測(cè)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(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，給出二維或三維溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)非接觸高溫測(cè)量，因此，CCD測(cè)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(jì)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(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。事實(shí)上，凡可用膠卷和光電檢測(cè)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(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相結(jié)合，能獲取被測(cè)對(duì)象的更多信息，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的無(wú)接觸測(cè)量，顯著提高測(cè)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(cè)控、機(jī)器視覺(jué)、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(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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