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1、哈尔滨理工大学 硕士学位论文 光学式非接触厚度-微位移测量仪的研制 姓名：陈阳 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：王慕坤 20030601 哈尔演理一r 大学。I ：学硕士o 位论文 光学式非接触厚度一微位移测量仪的研制 摘要 在计算机控制下，光、机、电相编合的微厚测量仪，不仅能实现商精度、 毫效率熬冀接融测量，不破坏被溅秘钵表嚣，瑟且翁予实现动态采撵、实彗季鲶 理、在线测量等自动化要求，因而在现代化的工业测量中将具有广泛的应用和 蕙景。 光学式非接触厚度一微位移测量仪是在激光三角测量法的綦础上实现的，谯 本研究方案中，根据象点在P S D 上的移动量建立与被测物厚度一微
2、位移变化之间 静数学模型，邋过对象点位鹫变化静计算，实现被涮裼厚度一徽位移变化量的测 量。 本文重煮阕运了光学式饕接魑簿液一微位移溅量仪熬工铎缀理，并对测量仪 的工作过程进行了分析；对影响测量精度的因索做了讨论。同时对仪器的软、 硬l 孛滋霉亍了设计，割戏了一台爨理撰掇。应鼹该测量仪黠厚度一擞位移测量进嚣 了多项实测，对测试数据作了分析和讨论，取得了比较满意的结果，达到了设 计要求。 该测量仪的分辨力小予0 2 l i t ，燕程t 0 0 0 芦I n 。 关键诵厚爱一徽谴移；三蕉测量法；P S D 簧慧器；8 0 C 5 5 2 摹片梳 哈尔滨淫一 入学j j 学硕士学位论文 薹t E S
3、 E A R C 珏o NO p T l C A L & N o N C o N 鼍文C T T H I C K = 】N E S S D I S P L A C E M E N TM E T E R A b s t r a c t O p t i c a l & n o n c o n t a c tt h i c k n e s s d i s p l a c e m e n tm e t e ri sah i g h - t e c hm e a s u r i n g i n s t r u m e n t I ti sas y n t h e s i sc o m b i n e d
4、w i t ho p t i c a l ，m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l k n o w l e d g e U n d e rt h ec o n t r o lo fc o m p u t e rt h i sm e t e rn o to n l yc a l lr e a l i z em a n y n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t si n h i 醢d e f i n k i o na n de f f i c i e n c yw i t h o u td e s t r
5、o y i n g o b j e c ts u r f a c e b u t a l s oC a nb e e a s y t of u l f i l ls o m ea u t o m a t i cd e m a n d sl i k e d y n a m i cs a m p l i n g ，r e a lt i m ep r o c e s s i n g ，o n f i n em e a s u r i n g S oi tw i l lb ew e l lu s e d i nt h em o d e m i n d u s t r ym e a s u r e m
6、e n t a n dh a saw i d e p r o s p e c t i nt h ef u t u r e T h em e t e ri sb a s e do nt h et r i a n g u l a rm e a s u r i n gp r i n c i p l eo fl a s e c I nt h i s r e s e a r c hs c h e m e ，s e m i c o n d u c t o rl a s e ri su s e da st h el i g h tr e s o u r c e s ，P S D ( P o s i t i
7、o n S e n s i t i v eD e t e c t o r ) a st h es e n s o La n d c o m p u t e r a sas y s t e mo f h i 啦s p e e d s a m p l i n g & p r o c e s s i n g d a t a T h em a i ni d e ao ft h i sr e s e a r c hc a nb es u m m e d u p a sf o l l o w i n g w o r d s ，r e f l e c t i n gl i a 1 t o rs c a t
8、t e r i n gl i g h tu p o nt h es u r f a c eo fm e a s u r e do b j e c t f o r m a t sa ni m a g eo nt h e p h o t os u r f a c eo fP S Db y a o p t i c a ls y s t e m ，b e c a u s eo f t h e g o o dr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eo f f s e to f i m a g ep o i n t i nP S Da n dt h eo f f
9、 s e to f o b j e c t t h i c k n e s s am a t h e m a t i c a lm o d e lC a Bb ef o u n d e da c c o r d i n gt ot h i sr e l a t i o n s h i p I t c a nm e a s u r et h es h i no f o b j e c tt h i c k n e s st h r o u g ht h e s ea n a l y s e so f m o v e m e n to f i m a g ep o i n tp o s i t i
10、 o ni nP S D ，a n d t h i sd e v i c eC a nb et e s t e di t sr e l i a b i l i t yw i t hm a n y p r a c t i c a ls p e c i m e n s 豫i sa r t i c l ef o r m u l i z e d e m p h a s i s o nt h e m e a s u r i n g 埘n c i p l e o fm e t e r , a n a l y z e dt h ew o r kp r o c e s so ft h em e t e r ,
11、 d i s c u s s e dt h ef a c t o rt h a ta f f e c t e dt h e m e a s u r i n gd e f i n i t i o n 。d e s i g n e d s o f t w a r e h a r d w a r eo ft h e a p p a r a t u s a n d f a s h i o n e da p r o t o t y p e m o d e l I n p r a c t i c a lm e a s u r i n g ，w e d r e was a t i s f i e d c o
12、 n c l u s i o n ，a n dr e a c h e dt h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t s T h e r e s o l v i n gp o w e ro f t h i sm e t e ri s0 2m i c r o na n d r a n g eo f m e a s u r e m e n ti s 1 0 0 0m i c r o n K e y w o r d s t h i c k n e s s d i s p l a c e m e n t ；t r i a n g a l a rm e a s u
13、r i n gp r i n c i p l e ；P S Ds e n s o r ； 8 0 C 5 5 2 s i n g l ec h i pc o m p u t e r 。I l 。 哈尔淡蠊工大学：1 ：学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 弓I 言 测量是人类生产、毒会生涯中不可缺少的活动：二 乍诗辩、购秘禳重、豢 体裁衣都是测量活动，是分别对时间、质量、长度等物理量的测量。几何 量测量则主要是对各种零件的几何形状、几 可尺寸的测量，它在整个测量系统 中占商重要地位，在现代纯的1 二业企业中，虽按照专、监化协作原则组织生产的， 各零部件在专业分厂成批制造届集中到一厂进行装配，因
14、而只有通过精确的测 量、裁造方戆绦证零部俘麴互换洼释装配的可靠往，放蕊傈诞整辊产赫豹凄鬣 和使用性能。由此可见测试技术在现代的工业企业中的重要作用。 足侮量测曩技拳随蓑科技靛发展l 羲i 发展饕。鼓1 9 壁纪开戆逡瑗懿刻线只， 到现在的游稀尺、螺旋仪及其它机械式的测微仪，使几何量测量技术向前迈了 一大步。但就鼹前情况丽言，在我国大部分企业中，为了保诞产品的质量，花 费在测量上的时闻和人员数量是相当可观的，这严重影响了工厂生产效率、缀 济效益。就厚度微位穆测量i 酊言，一方面传统的接触式测量技术跟不上现代工 翌撬搬热工、奉| 瓣热工静j 接舷要求，相反已成为掇蕊生产效率帮热工精度的 制约因素；
15、另一方面，传统的线下、静态测量技术又同样满足不了现代加工中 主动测量貔要求，不熊及时控测生产遵程，壤嚣在生产中经鬻密褒困不及辩 测量产品、控制流程而造成废品的情况，这影响了产鼎质量，最终影响到企业 的经济效益。所以在现代化的生产企渡中，如何能缩减检测职褥蛉时蚓魏人员， 变被劫、非自动测量为主动、臼动测趱，使整个测量过程简荦而又精确，是每 一个企业所追求的，也是在遂一领域摄进行研究的技术人员所面临的主要问题 之一。 本研究课题就是在这一背景下提出的。在微位移测量中，变接触式、被动 装线下溅量为藩接熬式、主魂戆在线测量，这楚我 | 、】试鼙簿狭耱嚣个主要润嚣。 此课题的研究也是处在动态、在线、实时
16、、非接触测爨微位移领域里迈出的第 一步，考虑到曩蘸还是个薪兴领域，微位移捻测过程囊动化雀我国剐嚣l 开始， 还没有成型的产品出现，所以在此首先对各种常规测擞厚度微位移方法作一论 述、对比。 1 2 测厚度一微位移的主要方法及原理 足鹰量测量中，长度( 毯摄擞小浮度、位移) 是蒸本翡、主要懿溺量参数， 哈尔滨理7 1 人学T 学硕十学位论文 其测量的技术水平随着人类文明发展而不断创新、拓宽着。从刻线尺到千分尺 等机械测微仪，说明了微位移测量技术在不断发展。进入2 0 世纪后，加工精度 的提高又要求有较高的测量技术，因此出现了光学、电动、气动等各种测量手 段，这些新的测量手段不仅推动原有测量技术的发展，而且创造出许多新型的 测量方法，丰富了测量手段，使得厚度一微位移测量技术向着高精度、高效率方 向发展。在较丰富的测量方法中，分类方法也较多，特别是对彳i 同的被测对象， 采用的方法也不样，大致可分为： 按测量的时间性来分：静态测量、动态测量。静态测量是指在一段时间内 厚度不变或缓慢变化条件下测量；而动念测量是为
